ВОДНЫЙ РЕЖИМ АЛЛЮВИАЛЬНЫХ ПОЧВ РЕКИ БОЛЬШОЙ

ВОДНЫЙ РЕЖИМ АЛЛЮВИАЛЬНЫХ ПОЧВ РЕКИ БОЛЬШОЙ
УССУРКИ
А.В. Назаркина
Биолого-почвенный институт ДВО РАН, пр. 100-летия Владивостока, 159, Владивосток, 690022, Россия. Е-mail: anazarkina@mail.ru
Профили аллювиальных почв р. Большая Уссурка разнородны по гранулометрическому
составу, уплотнению и увлажнению. Почвы обладают большими запасами влаги. В годы
с разным уровнем речного стока в течение вегетационного сезона происходит смена
механизмов передвижения влаги в верхнем 0–30 см слое аллювиальных слоистых и
серогумусовых почв. В результате происходит формирование соответствующих гидрологических горизонтов, на основании которых в почвах установлен паводковый тип
водного режима, экологическая роль которого заключается в естественной очистке
аллювиальных почв.
WATER REGIME OF ALLUVIAL SOILS OF THE BOLSHAYA USSURKA RIVER
A.V. Nazarkina
Institute of Biology and Soil Sciences, Russian Academy of Sciences, Far East Branch, 100
letiya Vladivistoka Avenue, Vladivostok, 690022, Russia. Е-mail: anazarkina@mail.ru
Variability of soil texture, compaction and moisture of the alluvial soils of the Bolshaya
Ussurka River were evaluated. The soils have large water storages. The mechanisms of wetting
and drying in the alluvial soils are discussed. At the 30-cm depth and different runoff, the soil
water saturation regimes are associated with formation of hydrological horizons. Ecological
roles of soil water regimes are to control soil pollution.
Комплексные исследования бассейна р. Амур предусматривают изучение его компонентов как самостоятельных систем, находящихся в строгой иерархической зависимости
друг с другом (Гусев, 2002). Одним из таких важных компонентов природной среды
является почвенный покров днища долины, формирование которого связано с особенностями речного стока и литогенеза в долине. Почвенный покров днищ долин представлен
аллювиальными почвами, которые относятся к стволу синлитогенных почв. Профиль
аллювиальных почв сложен, слоист, полигенетичен. Он состоит из нескольких вложенных «элементарных» профилей. Эти почвы «растут вверх» за счет отложений рыхлых
наносов на их поверхности. Почвообразующей породой аллювиальных почв является
обломочный материал водосборного бассейна.
Подстилающая поверхность бассейна реки имеет важное водорегулирующее значение в
разработке принципов экологической безопасности при различных антропогенных воздействиях в долинах (Гарцман, 2001; Карасев, Гарцман, 2002). Водорегулирующая роль
почвенного покрова, являющегося верхней частью аллювиальной толщи, заключается во
внутрипочвенном обмене влагой, обусловленном нисходящими (инфильтрацией) и
восходящими (испарение грунтовых вод) потоками влаги. Особенность водорегулирующей
роли почвенного покрова днища долины заключается в слоистом строении профилей
64
А. В. НАЗАРКИНА
аллювиальных почв, с которым связано образование преимущественных путей переноса
влаги, влияющих на стокообразование в долине, особенно при формировании катастрофических наводнений. В связи с этим, при изучении почв речных долин исключительно
важное значение имеют исследования их литогенетических свойств и водного режима.
Цель данной работы – определить водный режим аллювиальных почв, сформированных
на пойме реки Большой Уссурки в разных условиях седиментации с контрастными изменениями речного стока.
Исследования были проведены на реке Большая Уссурка (приток р. Амур), которая
дренирует западный склон горной системы Сихотэ-Алинь. Средняя высота водосбора
реки Большой Уссурки составляет 685 м над ур. моря, уклон 2,2 ‰ (Васьковский, 1972).
Водосборная площадь занимает 29600 км2. Средний годовой расход воды составляет 231
м3/сек, максимальный паводочный достигает 1650 м3/сек. В среднем в году проходит 3
паводка высотой 1–4 м.
Водораздельные хребты Сихотэ-Алиня обусловливают специфические погодные
условия в долине реки. Летом наблюдается хорошее ее прогревание (температура
воздуха составляет 19,2–20,1 ºС, поверхности почвы 22,6–22,8 ºС). Зимой происходит
аккумуляция холодных воздушных масс – температура воздуха опускается до -22,9 ºС,
почвы до -26,1 ºС. Промерзание происходит до глубины 108–117 см, в отдельные годы
до 154 см. Безморозный период в долине р. Большая Уссурка из-за температурной
инверсии на 10–20 дней короче и составляет 119–130 дней (Гладких, 1973). По величине
гидротермического коэффициента долина находятся в зоне оптимального (1,6–2,0)
увлажнения (Храмцова, 1973). Годовое количество осадков составляет 785–867 мм,
осадки за зимний период составляют 14–20 % годовых. На три месяца (июль–сентябрь)
приходится 90 % всех тайфунов. Согласно геоботаническому районированию (Колесников, 1956) территория бассейна входит в Восточно-Азиатскую умеренно холодную
достаточно влажную хвойно-широколиственную область.
Рельеф поймы представлен поверхностями двух высотных уровней. Высокая пойма
(1,5–3,5 м) сильно изрезана старичными понижениями, часто заболочена. Сложена она
алеврито-суглинистым аллювием мощностью 2,0–2,5 м. Низкая пойма (0,5–1,5 м) имеет
ровную, иногда волнистую поверхность, где чередуются береговые валы и старичные
понижения. Сложена она песчаным аллювием. Старичный аллювий представлен маломощными линзами песчаных алевритов и глин (Короткий, 1985). При незначительном
повышении уровня воды в реке, пойма затапливается. В наилках реки Большая Уссурка
преобладают гидрослюды (73–87 %), каолинит с хлоритом (15–26 %) и смектит (1–6 %).
Почвообразующие породы обладают кислой реакцией среды (pH = 4,2) в бессточных
понижениях и практически нейтральной (pH = 5,2–6,2) на пойме. Значения суммы поглощенных оснований изменяется от 4,6 до 23,5 мгэкв. на 100 г почвы. Степень насыщенности
основаниями составляет 73–75 %. Коэффициент фильтрации равен 0,1–0,5 м/сут.
Объекты и методы исследования
Объектами исследования являются аллювиальные почвы, сформированные в долине
реки Большой Уссурки. Физико-химические свойства этих почв позволяют классифицировать их как аллювиальные серогумусовые, аллювиальные слоистые, аллювиальные
иловато-перегнойно-глеевые, аллювиальные торфяно-глеевые почвы и торфяники
эутрофные (Классификация…, 2004). Аллювиальные почвы характеризуются невысоким
содержанием гумуса 2–8 % и кислотностью, близкой к нейтральной (pH = 6–6,5). Гидролитическая кислотность составляет 2–4 мгэкв/100 г, степень насыщенности основаниями
достигает 90 %.
ВОДНЫЙ РЕЖИМ АЛЛЮВИАЛЬНЫХ ПОЧВ
65
Содержание частиц < d, %
Аллювиальная слоистая
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
0,001
0,005
0,01
1С
d 10
0,05
2С
d 60
1 d, мм
0,25
W1
W2
3C
Содержание частиц < d, %
Иловато-перегнойно-глеевая
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
0,001
d, мм
0,005
Hmr
0,01
1Cg
0,05
2Cg
0,25
G
1
d 60
d 10
Содержание частиц < d, %
Аллювиальная серогумусовая
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
0,001
W1
0,005
W2
0,01
1C
0,05
2Cg
d, мм
1
0,25
3Cg
d 10
d 60
Рис. 1. Кумулятивные кривые гранулометрического состава аллювиальных почв. Условные
обозначения. Горизонты: W1,2 – гумусовые, 1–3Сg – минеральные, d 10, 60 – границы размеров
частиц, мельче которых в почве содержится 10 % и 60 % ее массы
А. В. НАЗАРКИНА
66
Гранулометрический анализ почв проведен сито-пипеточным методом с применением
пирофосфата натрия, физико-химические свойства определены по стандартным методикам, значения влажности почвы получены термостатно-весовым методом (Растворова,
1983). Водный режим установлен для аллювиальных слоистых и серогумусовых почв с
учетом глубины грунтовых вод 1 и 2 м. При изучении водного режима почв применен
метод моделирования в системе почва-растение-атмосфера, в основе которого лежат
водобалансовые уравнения (Березников, 1991). Для выполнения расчетов использованы
картографические и справочные материалы. Расчеты выполнены с использованием
программы «VLAGA» за теплый период года с 1 апреля по 30 сентября включительно в
годы с максимальным, средним и минимальным речным стоком. Согласно расчетной
схеме на начальный период запасы влаги в зоне аэрации определяются инструментально.
Суточная динамика влажности в слое почвы 0–30 см рассчитана по уравнениям водного
баланса по слоям 0–10 см.
Результаты и обсуждение
В зависимости от особенностей условий седиментации в пределах днища долины
выделены три литогенетические зоны (Назаркина, 2001) – прирусловая (преобладают
аллювиальные слоистые почвы), приречная (аллювиальные серогумусовые, аллювиальные иловато-перегнойно-глеевые, аллювиальные серогумусовые глееватые) и
внутренняя (торфяно-болотные и торфяники эвтрофные). По гранулометрическому
составу профили аллювиальных слоистых, иловато-перегнойно-глеевых и серогумусовых
почв характеризуются высокой степенью неоднородности дисперсного материала (рис. 1).
Исключение составляют горизонты 1С~ и 1W слоистых почв (коэффициент неоднородности d 60 / d 10 ≤ 3 ), что связано с водным отложением преимущественно песчаных и
пылеватых фракций соответственно. Следовательно, описание гранулометрического
состава аллювиальных почв должно производиться индивидуально для каждого горизонта
почвенного профиля.
0
0,5
Плотность, г/см3
1
1,5
2
0
20
Глубина, см
40
60
80
100
120
140
11
4
14
41
7
Рис. 2. Внутрипрофильное изменение плотности аллювиальных почв. Условные обозначения.
Названия почв: 11 – аллювиальная слоистая, 4 – аллювиальная торфяно-глеевая, 14 – торфяная
эутрофная, 41 – аллювиальная иловато-перегнойно-глеевая, 7 – аллювиальная серогумусовая
ВОДНЫЙ РЕЖИМ АЛЛЮВИАЛЬНЫХ ПОЧВ
67
С неоднородностью почвенных профилей по гранулометрическому составу связано
контрастное изменение уплотнения почвы по профилю (рис. 2). В почвах, в профилях
которых наблюдается чередование зон разных по плотности, возможно развитие нестабильных потоков воды и такого своеобразного явления, как формирование преимущественных
путей переноса влаги, когда создаются «водные каналы» по которым движение воды
является более быстрым, чем в основной массе почвы (Шеин, Марченко, 2001).
Характер изменения эпюр влажности в аллювиальных почвах показывает, что в зонах
низкого уплотнения (0,4–0,8 г/см3) увлажнение достигает 100 % от объема почвы (рис. 3).
При плотности от 1,0 до 1,6 г/см3 значения увлажнения резко падают до 50 %. В почвах
болотного ряда в рыхлых верхних горизонтах наблюдается содержание влаги до 450 %, с
уплотнением профиля оно падает до 50 %. Резкое снижение увлажнения связано с формированием тяжелого по гранулометрическому составу глеевого горизонта. Следовательно,
в аллювиальных почвах формируются гомогенные по плотности слои с разными гидрологическими свойствами.
W, %
0
100
200
300
400
500
0
Глубина, см
20
40
60
80
100
120
140
11
4
14
41
7
Рис. 3. Эпюры влажности аллювиальных почв. Условные обозначения см. рис.2. W – влажность,
соответствующая наименьшей влагоемкости
При расчетах содержания влаги в аллювиальных почвах необходимо учитывать ее
содержание как в верхнем 0–30 см слое, в котором наиболее резко происходят ее колебания, так и в 1-метровой толще, по значениям которой можно сделать вывод о ее
потенциальном содержании (рис. 4). В слоистых почвах наблюдаются более высокие
значения констант, соответствующих полной влагоемкости, чем в серогумусовых почвах.
Наоборот, капиллярная сеть в серогумусовых почвах развита сильнее, что отражается на
запасах влаги, соответствующих наименьшей и капиллярной влагоемкости.
В условиях с разным уплотнением профиля почв в течение вегетационного периода
происходит смена механизмов передвижения влаги. При характеристике водного режима
слоистых и серогумусовых аллювиальных почв большое значение имеет количество
дней, когда почва увлажнена до определенной константы увлажнения. Более того, важен
вопрос о характере изменения этих констант в годы с разным речным стоком – средним,
максимальным и минимальным (табл.).
80
59
60
Минимальный
Средний
192
75
108
Максимальный
91
82
166
135
Средний
Максимальный
77
99
58
216
Минимальный
Минимальный
92
89
Средний
69
99
Минимальный
Максимальный
83
79
137
Средний
102
71
63
Минимальный
Максимальный
60
34
Максимальный
Средний
83
73
61
Минимальный
68
53
88
94
56
40
56
мм
Максимальный
Средний
Речной сток
Сток
ПВ–
КВ
КВ–
НВ
–
81
36
2
57
20
–
3
–
–
2
–
–
1
–
3
3
3
2
28
23
6
16
23
–
5
3
–
10
–
–
2
–
–
3
–
28
2
7
19
15
6
7
26
16
13
20
–
–
29
4
–
11
5
Аллювиальная слоистая
Испарение
Примечание. Условные обозначения см. рис. 4.
IX
VIII
VII
VI
V
IV
Месяц
Осадки
–
–
–
6
–
2
24
–
12
17
–
30
31
–
27
30
16
25
НВ–
ВРК
дни
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
ВРК–
ВЗ
61
82
78
86
92
102
76
94
90
79
85
67
54
84
67
51
42
51
Сток
ПВ–
КВ
КВ–
НВ
НВ–
ВРК
дни
1
77
18
4
41
24
1
2
2
23
3
–
–
1
–
–
1
–
3
12
3
1
9
7
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
26
16
26
13
10
21
–
9
4
–
10
–
–
7
–
–
2
–
1
2
1
12
11
3
25
22
27
19
20
26
–
24
16
–
13
11
–
–
–
5
–
–
6
–
–
11
–
4
31
–
15
30
15
19
ВРК–
ВЗ
Таблица
Аллювиальная серогумусовая
мм
Испарение
Элементы водного баланса и длительность присутствия категорий влаги в аллювиальных почвах
ВОДНЫЙ РЕЖИМ АЛЛЮВИАЛЬНЫХ ПОЧВ
69
В годы, характеризующиеся средним многолетним уровнем речного стока, в слоистых
почвах с апреля по июль влага содержится в интервалах значений, соответствующих
наименьшей влагоемкости – влажности разрыва капиллярной каймы, и характеризуется
как влага зависания (капиллярно-подвешенная) (Еруков, Власкова, 1986). В августе–
сентябре происходит изменение механизма передвижения влаги. В этот период наблюдается почвенно-грунтовое насыщение влагой и механизм переноса влаги изменяется на
гравитационный. В серогумусовых почвах в годы со средним уровнем речного стока с
апреля по первую половину мая почва капиллярно-насыщенная и частично находится в
форме иссушения. В этот период происходит смена механизмов передвижения влаги с
капиллярно-подпертой до стыковой и конденсационной. Со второй половины мая и в
апреле влага преимущественно капиллярно-подпертая, в августе–сентябре механизм
изменяется на капиллярно-подвешенную, формируется гидрологический горизонт влаги
зависания.
запас влаги, мм
Слой почвы 0 – 30 см
180
160
140
120
100
80
60
40
20
0
ПВ
КВ
НВ
категории влаги
слоистая
ВРК
ВЗ
серогумусовая
Слой почвы 0 – 100 см
запас влаги, мм
600
500
400
300
200
100
0
ПВ
КВ
НВ
ВРК
ВЗ
категории влаги
слоистая серогумусовая
Рис. 4. Гистограмма содержания влаги в аллювиальных почвах. Условные обозначения: ПВ –
полная влагоемкость, КВ – капиллярная влагоемкость, НВ – наименьшая влагоемкость, ВРК –
влажность разрыва капиллярной каймы, ВЗ – влажность завядания
70
А. В. НАЗАРКИНА
В годы с максимальным уровнем речного стока в слоистых почвах с апреля до середины августа наблюдается капиллярно-подвижная влага (влага рассасывания), со второй
половины августа и весь сентябрь механизм передвижения влаги изменяется на гравитационный, влага характеризуется как почвенно-грунтовая насыщенная. В серогумусовых
почвах механизмы передвижения влаги сохраняются, как и в годы со средним уровнем
речного стока. Исключением является конец августа–сентябрь. В этот период формируются
гидрологические горизонты влаги зависания и почвенно-грунтового насыщения.
В годы с минимальным уровнем речного стока слоистые почвы характеризуются лучшими условиями увлажнения, чем серогумусовые. В слоистых почвах с апреля по июль
наблюдается капиллярно-подвешенная влага, образуется гидрологический горизонт
влаги зависания, в августе – капиллярно-разобщенная влага с горизонтом промачивания,
которая в сентябре сменяется на капиллярно-подвешенную с горизонтом влаги зависания.
В серогумусовых почвах с апреля по июнь формируются условия со стыковым и конденсационным механизмом передвижения воды. Этот период характеризуется образованием
горизонта иссушения. С середины июня формируется новый капиллярно-подпертый
механизм передвижения влаги, при котором образуется в почве гидрологический горизонт
капиллярного насыщения влагой. В дальнейшем происходит смена механизма передвижения влаги на капиллярно-подвешенную и формируется горизонт влаги зависания.
Аллювиальные почвы долины р. Большая Уссурка характеризуются паводковым водным режимом. В межпаводковый период смена гидрологических горизонтов в течение
вегетационного периода в профилях аллювиальных слоистых почв р. Большая Уссурка
(прирусловая зона) соответствует промывному типу водного режима (Ефремов и др.,
1986). В профилях аллювиальных серогумусовых почв (приречная зона) водный режим
соответствует десуктивно-выпотному типу. Почвы внутренней литогенетической зоны
характеризуются водонасыщающим типом водного режима. Экологическая роль водного
режима почв связана с положительным балансом веществ в долине.
Заключение
Использование бассейнового подхода позволяет рассматривать аллювиальные почвы
как неотъемлемую часть речной системы, которая имеет важное водорегулирующее
значение. Литологические особенности почв связаны с неоднородностью профилей по
гранулометрическому составу. Неоднородность почвенных профилей по плотности
предопределяет образование слоев, характеризующихся разными категориями увлажнения. За вегетационный сезон в почвах происходит смена гидрологических профилей
вследствие изменения механизмов передвижения влаги. Слоистость профилей аллювиальных почв может способствовать образованию преимущественных путей переноса
влаги, за счет которых происходит быстрый сброс почвенной воды. Аллювиальные
почвы р. Большая Уссурка характеризуются паводковым типом водного режима. В
межпаводковые периоды тип водного режима зависит от типа литогенетической зоны, в
которой формируются аллювиальные почвы. Паводковый намывной режим обусловливает
привнос взвешенного и растворенного материала в почву. Экологическая роль оттока
влаги в грунтовые воды в межпаводковый период заключается в естественной очистке
почв. Исследования водного режима позволяют понять генезис почвы или ее отдельных
специфических горизонтов и способствует рациональному их использованию.
ВОДНЫЙ РЕЖИМ АЛЛЮВИАЛЬНЫХ ПОЧВ
71
Литература
Березников К.П. 1991. Методические указания по тепловоднобалансовым расчетам в
системе почва – растение – атмосфера. Владивосток: изд-во Дальневост. ун-та. 31 с.
Васьковский М.Г. 1972. Гидрологическое районирование, основные черты режима
рек и водный баланс Приморья // Ресурсы поверхностных вод СССР. Вып. 3. Л.: Гидрометеоиздат. С. 90–103.
Гарцман Б.И. 2001. Феномен контррегулирования стока в модели паводочного цикла
малого речного бассейна // География и природные ресурсы. № 2. С. 142–149.
Гладких Л.Г. 1973. Теплообеспеченность вегетационного периода // Агроклиматические ресурсы Приморского края. Л.: Гидрометеоиздат. С. 25–29.
Гусев М.Н. 2002. Морфодинамика днища долины верхнего Амура. Владивосток:
Дальнаука. 232 с.
Еруков Г.В., Власкова Г.В. 1986. Гидротермический режим почв сосновых лесов
Карелии. Л.: Наука. 112 с.
Ефремов Д.Ф., Карпачевский Л.О., Сапожников А.П., Воронин А.Д. 1986. О классификации водного режима почв и лесных местообитаний // Почвоведение. № 3. С. 129–137.
Карасев М.С., Гарцман Б.И. 2002. Прогноз антропогенной динамики русловых
процессов малых и средних рек Приморского края в условиях хозяйственного освоения
их долин: Проект методического пособия. Владивосток: Дальнаука. 48 с.
Классификация и диагностика почв России. 2004. Смоленск: Ойкумена. 342 с.
Колесников Б.П. 1956. Природное районирование Приморского края // Вопр.
сельского и лесного хозяйства Дальнего Востока. Вып. 1. М.: Изд-во АН СССР. С.5–16.
Короткий А.М. 1985. Анализ коррелятных отложений и реконструкции рельефа
горных стран. М.: Наука. 190 с.
Назаркина А.В. 2001. Литологические особенности и гидрофизические свойства
почв горных долин: автореф. дис. ... канд. биол. наук. Владивосток: Дальнаука. 20 с.
Растворова О.Г. 1983. Физика почв. Л.: изд-во ЛГУ. 196 с.
Храмцова В.К. 1973. Основные климатические условия, агроклиматические районы,
условия зимовки и неблагоприятные явления // Агроклиматические ресурсы Приморского
края. Л.: Гидрометеоиздат. С. 13–42.
Шеин Е.В., Марченко К.А. 2001. Взаимосвязь путей движения влаги и пространственного распределения плотности почв Владимирского ополья // Почвоведение. № 7.
С. 823–831.