Лаборатория физики почвенных вод

Описание деятельности

Телефон: 
+7 (499) 135-72-71
+7 (499) 135-54-15

Основные направления научной деятельности:


• количественное описание физических механизмов процессов формирования почвенных вод, радиационного, теплового, водного и углеродного обмена экосистем;
• моделирование процессов взаимодействия поверхности суши с атмосферой.

 Разработан комплекс физико-математических моделей процессов переноса тепла и воды в системе "почва – растительный/ снежный покров – приземный слой атмосферы" SWAP (Soil Water - Atmosphere – Plants). Модель SWAP заняла одно из первых мест среди 15 моделей, участвующих в международном проекте "Rhone AGGregation experiment".

 В рамках международной кооперации гидрологических и климатических исследований лаборатория участвует в крупных международных проектахPILPS (Project for Intercomparison of Land surface Parameterization Schemes), SnowMIP (Snow Model Intercomparison Project), Rhone AGG (Rhone AGGregation experiment), MOPEX (MOdel Parameter Estimation Experiment), GSWP2 (The second Global Soil Wetness Project), ALMIP (African Monsoon Multidisciplinary Analysis Land surface Model Intercomparison Project).

=======

1. Основные направления научной деятельности
Лаборатории физики почвенных вод,
полученные результаты, их практическая значимость

Лаборатория проводит исследования, относящихся к проблеме создания теории формирования водных ресурсов, режима и качества вод суши.

В настоящее время исследования Лаборатории в основном ведутся по следующим направлениям:

1 направление, которое можно назвать физикой почвенных вод, заключается в последовательном раскрытии механизма процессов формирования почвенных вод и их количественном описании.

Важность развития данного направления определяется тем, что в корневой основе протекания всех процессов во Вселенной лежат их физические механизмы. Во многом указанное направление эквивалентно направлению исследований процессов тепловлагообмена в системе «почва - растительный снежный покров - приземный слой атмосферы» в локальном масштабе. 
Исследованы физические механизмы тепло- и влагообмена экосистем лесных и полевых водосборов, сельскохозяйственных экосистем; разработаны параметризации перехвата выпадающих осадков (как жидких, так и твердых) растительным покровом, суммарного испарения и его составляющих (испарения осадков, перехваченных растительностью, транспирации, испарения воды почвой ) формирования снежного покрова, влагозапасов почвы, промерзания и оттаивания почвы, формирования поверхностного и подземного стоков и т.д.

Трансформация потоков солнечной радиации в другие формы энергии происходит в очень тонком планетарном слое, практически на границе между атмосферой и литосферой. И характерно, что именно здесь сопрягаются все четыре составляющие биосферы: атмосфера, литосфера, гидросфера (в связи с формированием гидрологического цикла суши) и живое вещество континентов, поскольку толщина покрывающей сушу "пленки жизни <...> очень незначительна; она для сплошных лесных пространств не подымается выше нескольких десятков метров над земной поверхностью <...>, проникает в глубину почвы и подпочвы на несколько метров" [Вернадский, 1960]. В силу сказанного особую роль в формировании климатических, гидрологических и биотических процессов суши играет такая важнейшая приграничная структура континентальной части биосферы, какой является система "приземный слой атмосферы -- растительный (и/или снежный) покров -- почва" (в международной литературе "Soil -Vegetation - Atmosphere System" - SVAS).

Именно в этой системе, в частности, или на листовой поверхности фитомассы, или на открытой поверхности почвы, или на поверхности снежного покрова происходит преобразование дошедшей до поверхности суши (и не отраженной в атмосферу) солнечной энергии в тепловую, в энергию фазовых переходов, а также в энергию химических связей первичных биологических сруктур в процесссе фотосинтеза. Тепловая энергия частично возвращается в атмосферу за счет турбулентного потока тепла и теплового излучения, влияя на интенсивность атмосферных процессов, частично уходит в почву (и/или снежный покров), формируя динамику температурного режима почвы и снега, определяя при этом условия протекания многих гидрологических и биофизических процессов. Хотя затраченная на фотосинтез часть поступившей к растительному покрову солнечной энергии очень мала (менее 1%), однако именно она обеспечивает производство первичной биологической продукции, круговорота биоэлементов (углерода, водорода, азота, кислорода, фосфора и серы - CHNOPS) и в конечном итоге существование растительного покрова, параметры которого в свою очередь в значительной мере контролируют динамику многих климатических и гидрологических процессов, особенно суммарного испарения, включающего такие процессы как транспирацию, испарение части осадков, задержанных растительных покровом и испарение воды почвой.

Снежный покров в области средних и высоких широт планеты осуществляет долговременную регуляцию составляющих водного баланса рассматриваемой территории, играя роль "водного буфера", накапливающего в зимнее полугодие выпадающие твердые осадки и отдающего их в процессе снеготаяния в весенний период, определяя при этом специфический для этих широт годовой ход составляющих водного баланса. Таким же регулятором снежный покров проявляется и в отношении климатической системы Земли, поддерживая в течении периодов снеготаяния нулевую температуру на подстилающей поверхности суши.

Дополнительная роль снежного покрова в гидрологическом цикле связана также с тем, что от его мощности зависит степень промерзания сезонно-промерзающих почв, которая в свою очередь в значительной мере определяет инфильтрационные свойства почвы, а значит и разделение поступающих на ее поверхность талых вод в период весеннего снеготаяния между поверхностным стоком и пополнением почвенных влагозапасов.

Почва в SVAS играет одну из ключевых ролей в отношении всех упомянутых выше биосферных циркуляционных структур. Именно в ней находится подземная корневая часть вегетирующего покрова суши, обеспечивающая как приток минеральных веществ к растительным тканям, так и воды к устьицам листьев - их испаряющим органам, в силу чего интенсивность транспирации (процесса, играющего важнейшую роль как в формировании гидрологического цикла, атмосферной циркуляции, так и в продукционном процессе) во многом определяется не только параметрами растительного покрова, но и динамикой влагозапасов почвы. Почва при этом является специфическим водоемом континентальной части Земли, осуществляющим временную регуляцию водобеспеченности растительного покрова. В гидрологическом цикле суши почвенный слой служит также своеобразным "вододелителем", определяющим в зависимости от теплогидрофизических параметров почвы и складывающихся ее водного и теплового режимов разделение приходной составляющей гидрологического цикла (осадков P) на три его расходные компоненты: поверхностный сток Ys, подземный сток Yg и суммарное испарение ET.

Лаборатория физики почвенных вод с момента своего основания занимается экспериментальным исследованием и моделированием всех указанных выше процессов в SVAS. Исследованы физические механизмы тепло- и влагообмена экосистем лесных и полевых водосборов, сельскохозяйственных экосистем; разработаны параметризации перехвата выпадающих осадков растительным покровом, суммарного испарения и его составляющих формирования снежного покрова, влагозапасов почвы, промерзания и оттаивания почвы, формирования поверхностного и подземного стоков и т.д.

Наибольшие успехи достигнуты в области изучения и параметризации процессов суммарного испарения и его составляющих, а также в исследовании формирования режима почвенных вод в зимне-весенний период. Основные полученные результаты можно найти в публикациях сотрудников Лаборатории, приведенных на данном сайте.

---

2 направление, которое можно назвать исследованием взаимодействия поверхности суши с атмосферой. В рамках данного направления раскрываются закономерности формирования почвенных вод на более высоких уровнях организации окружающей среды – ландшафтном, региональном, зональном и глобальном. В частности, исследуется возможность перехода от полученного в рамках первого направления описания процессов формирования тепловлагообмена (а также и углеродного обмена) на поверхности суши в масштабах однородного элементарного участка территории к описанию этих процессов в масштабе крупного водосбора, речного бассейна или региона.
В рамках данного направления в Лаборатории разработан комплекс физико-математических моделей процессов переноса тепла и воды в системе “почва - растительный / снежный покров – приземный слой атмосферы” SWAP (Soil Water – Atmosphere – Plants), предназначенных для описания влаго – и теплообмена суши с атмосферой в различных природных условиях (от тропиков до зоны многолетней мезрлоты) и для территорий разных пространственных масштабов (от малых водосборов до речных бассейнов континентального масштаба). Разработана методика перехода от описания гидрологических процессов в масштабе однородного участка местности к их моделированию в масштабах крупных водосборов и регионов; разработаны схемы параметризации подстилающей поверхности суши в целях сопряжения гидрологических и климатических моделей формирования теплового и водного режимов системы “суша - атмосфера”; проведена обширная проверка комплекса SWAP на основе данных наблюдений воднобалансовых и агрометеорологических станций, а также комплексных международных геофизических и гидрологических экспериментов. Модельный комплекс SWAP может быть использован для решения широкого спектра гидрологических, сельскохозяйственных, водохозяйственных, климатических и экологических задач.

В соответствии с интенсивностью развития тех или иных областей научного знания, восемнадцатый век иногда называют веком Ньютона, девятнадцатый - веком Дарвина, а двадцатый - веком Вернадского, разработавшего учение о биосфере - специфической оболочке планеты, организованной жизнью. Именно в двадцатом столетии началось бурное развитие различных наук о биосфере Земли, продолжающееся и поныне. При этом тезис Вернадского о единстве биосферы нашел свое отражение во взаимосвязи и взаимопроникновении наук, что привело к широким комплексным результатам как в понимании физического механизма, так и в математическом описании основных биосферных процессов. К последним следует отнести прежде всего глобальные циркуляции различных субстанций, формирующиеся под воздействием солнечной энергии. Возникновение на планете подобных циркуляций неизбежно, поскольку, согласно, при постоянном действии потока свободной энергии на ограниченную (по объему и количеству вещества) систему, каковой можно считать и Землю, ее единственной структуроформирующей реакцией может быть лишь организация собственного потока энергии, нейтрализующего на основе круговорота вещества внешнее энергетическое воздействие. Таким образом, поступающая на Землю энергия солнечного излучения приводит в движение все круговороты планеты, из которых наиболее интенсивными являются процессы атмосферной циркуляции, гидрологического цикла, а также "жизнь", которую согласно Онсагеру и Моровицу можно определить как "сопряженную циркуляцию биоэлементов", поскольку жизнь в ее современной форме не может существовать вне биотического круговорота. При этом следует отметить, что на суше трансформация потоков солнечной радиации в другие формы энергии происходит в очень тонком планетарном слое, практически на границе между атмосферой и литосферой. Именно здесь сопрягаются все четыре составляющие биосферы: атмосфера, верхняя часть литосферы, гидросфера и живое вещество суши. Толщина этого слоя, названного Вернадским "пленкой жизни", очень незначительна: он не поднимается выше нескольких десятков метров над земной поверхностью и не опускается ниже ее, более чем на несколько метров. Однако, эта "пленка жизни", или как ее принято называть в климатологии, метеорологии и гидрологии, система "почва - растительный (и/или снежный) покров - приземный слой атмосферы" (в международной научной литературе для идентификации данной системы существует устоявшаяся аббревиатура SVAS (Soil - Vegetation - Atmosphere System), которую мы и будем использовать в последующем изложении), играет особую роль в формировании климатических, гидрологических и биотических процессов. Эта роль состоит в том, что SVAS является "точкой сопряжения" трех упомянутых выше глобальных диссипативных структур: циркуляции атмосферы, гидрологического цикла суши и круговорота биоэлементов наземных экосистем. Рассмотренные обстоятельства привели к тому, что на современном этапе развития наук о Земле задачи понимания и математического моделирования физического (а зачастую и биофизического) механизма процессов, происходящих в SVAS, стали актуальными для целого ряда специалистов: климатологов, метеорологов, физиков атмосферы, гидрологов, почвоведов, геокриологов, физиологов растений, экологов, а также специалистов по сельскому хозяйству, формированию и управлению водными ресурсами и т.д. Это нашло свое отражение в организации целого ряда международных программ и проектов, связанных с комплексным исследованием и моделированием тепловлагообмена в SVAS, в частности, таких как Global Energy and Water cycle EXperiment (GEWEX) , Biospheric Aspects of the Hydrological Cycle (BAHC) , Global Soil Wetness Project (GSWP), Global Land/Atmosphere System Study (GLASS) , Project for Intercomparison of Land-surface Parameterization Schemes (PILPS) , Snow Model Intercomparison Project (SnowMIP) , Rhone AGGregation experiment (Rhone-AGG) и т.д., в постоянном включении в повестку международных конференций и симпозиумов, посвященных самым разнообразным проблемам в области наук о Земле, тематики, связанной со SVAS. Одной из моделей, воспроизводящей процессы радиационного, теплового, водного и углеродного обмена в SVAS, является разрабатываемая в Лаборатории физики почвенных вод РАН, модель SWAP (Soil Water - Atmosphere - Plants). Детальное описание различных версий SWAP можно найти в целом ряде публикаций, в том числе, представленных на данном сайте. Ее отличительной особенностью является сочетание ее достаточной физической обоснованности и рациональности с точки зрения используемых модельных средств. При этом рациональность обусловлена применением преимущественно аналитических методов решения систем уравнений (в то время как в большинстве существующих моделей используются численные методы) и стремлением к сокращению по мере возможности числа параметров модели. Модель включает в себя следующие процессы: перехват жидких и твердых атмосферных осадков растительным покровом, а также их последующее испарение и таяние (в случае твердых осадков и положительных температур воздуха); формирование снежного покрова под пологом леса и на открытых участках в холодный период года; формирование поверхностного стока и впитывание воды (поступающей на поверхность почвы вследствие выпадения жидких осадков или таяния снежного покрова) в почву; формирование водного баланса зоны аэрации (включающего транспирацию, физическое испарения воды почвой, водообмен с грунтовыми водами и изменение почвенных влагозапасов); формирование теплового баланса системы SVAS и ее термического режима; промерзание и оттаивание почвы. Зона аэрации разделена в модели на два слоя. Первый слой представляет собой корнеобитаемую зону, определяемую как слой почвы, содержащий около 95% корневой биомассы. Второй слой, расположенный между нижней границей корнеобитаемой зоны и изменяющимся во времени уровнем грунтовых вод, в общем случае имеет иные по сравнению с корнеобитаемым слоем гидрофизические характеристики. Расчет динамики почвенных влагозапасов основан на использовании соответствующих уравнений водного баланса для каждого из слоев зоны аэрации и уравнений, определяющих перенос влаги на их границах. Поверхностный сток формируется в том случае, если интенсивность достигших поверхности почвы жидких осадков (при отсутствии снежного покрова) или водоотдачи снега превышает интенсивность инфильтрации, которая рассчитывается с использованием модификации модели Грина и Ампта. Что касается подземного стока, то в основу его параметризации положена гидравлическая связь грунтовых вод с водой в ручейковой сети. В ряде случаев (например, в случае глубокого залегания грунтовых вод, когда взаимодействие поверхностных и подземных вод незначительно) интенсивность подземного стока рассчитывается с использованием гипотезы о наличии свободного дренажа. Сказанное относится к локальной версии модели SWAP. Переход от локальной версии к ее крупномасштабному аналогу основан на явном учете неоднородности подстилающей поверхности с помощью сеточной схематизации рассматриваемого объекта (водосбора, речного бассейна или региона), т.е. разделения соответствующего объекта на ячейки, соединенные речной сетью. При этом расчеты по локальной версии модели проводятся для каждой ячейки сетки. Затем рассчитанные характеристики (за исключением стока) осредняются по ячейкам. Для получения гидрографа стока в замыкающем створе речного русла рассчитанные для каждой ячейки значения поверхностного и подземного стоков необходимо трансформировать, поскольку они представляют собой мгновенный сток в центре расчетной ячейки, для распространения которого до выхода из ячейки и для попадания в те или иные участки речной сети требуется еще некоторое время, так называемое "время добегания". В модели SWAP расчет трансформации стока в пределах ячейки основан на использовании концепции двумерной кинематической волны, а в речной сети - линеаризованного уравнения Сен-Венана, описывающего динамику расходов воды в русловой сети. Расчеты на основе SWAP (как и по любым другим SVAS-моделям) требуют соответствующего информационного обеспечения, идентифицирующего моделируемый природный объект. Основное информационное обеспечение включает следующие группы данных:: метеорологическую и актинометрическую информацию, параметры растительного и снежного покрова, параметры почвы. При рассмотрении крупномасштабного объекта добавляется информация о геоморфологических характеристках объекта и гидравлических параметрах поверхности водосбора и речной сети. * В качестве первой группы данных используются значения актинометрических (приходящей длинноволновой и коротковолновой радиации) и метеорологических (атмосферные осадки, температура и влажность воздуха, атмосферное давление и скорость ветра) характеристик на высоте измерений или на нижнем расчетном уровне модели общей циркуляции атмосферы с высоким пространственным разрешением в случае ее сопряжения с моделью SVAS. * К параметрам растительного покрова относятся, в частности, высота растительности, значения относительной площади листьев и стеблей (стволов), коэффициент экстинкции, лесистость, параметр шероховатости, альбедо, емкость перехвата атмосферных осадков, глубина корнеобитаемой зоны, характерный размер листа, устьичное сопротивление и др. * Основными параметрами снежного покрова, как правило, являются его параметр шероховатости, водоудерживающая способность, коэффициент теплопроводности снега, максимальное альбедо глубокого снега и т.д. * Параметры почвогрунтов для каждой расчетной ячейки обычно включают следующие характеристики: плотность почвы, содержание в ней песка и глины, толщину корнеобитаемого почвенного слоя, наименьшую влагоемкость, влажность завядания, параметры связей коэффициента влагопроводности и водного потенциала почвы с ее влажностью, наименьшее количество незамерзшей воды в промерзающей почве, глубину залегания относительного водоупора, коэффициент водоотдачи нижних горизонтов. Подготовка указанной информации представляет собой очень большую и трудоемкую работу, нередко осложняемую низким качеством или отсутствием необходимых данных измерений. Полученное в результате информационное обеспечение, как правило, бывает разнородно по точности, надежности и достоверности в отношении различных групп данных. Тем не менее, в последние годы наблюдается значительное расширение исследований, связанных с экспериментальным определением, расчетом и систематизацией вышеуказанной информации в различных банках данных. Имеющееся на сегодняшний день информационное обеспечение можно с той или иной степенью надежности использовать в моделях SVAS для расчетов динамики элементов водного и теплового балансов этой системы в самых разнообразных природных условиях и пространственно-временных масштабах, достаточно точно воспроизводя при этом динамические характеристики моделируемых процессов.

В представленных на настоящем сайте публикациях сотрудников Лаборатории физики почвенных вод ИВП РАН

•  изложено теоретическое и экспериментальное обоснование модели SWAP,
• показаны особенности ее структуры,
• приведен широкий спектр примеров экспериментальной проверки модели SWAP по воспроизведению динамики различных составляющих водного и теплового балансов экосистем суш и для целого ряда экспериментальных полигонов и водосборов, расположенных в различных климатических и природных зонах Европы и Северной Америки (от областей степной и тропической зон до районов вечной мерзлоты) и характеризующихся существенно разными пространственными масштабами (от опытных площадок и малых водосборов до речных бассейнов континентального масштаба ~ 105 км²).

3. Экологическое направление. Его следует рассматривать в качестве логического приложения результатов, полученных в рамках первого и второго направлений к решению как чисто практических задач (например, водохозяйственных или сельскохозяйственных), так и научных проблем более комплексного характера, связанных, в частности, с функционированием растительного покрова – важнейшего звена наземных экосистем, производящего первичное органическое вещество планеты.
В рамках данного направления разработаны методы оценки эффективности различных приемов воздействия на режим почвенных вод и водообеспеченность растительного покрова для разных физико-географических условий, в частности, развиты энергетические методы оценки влияния нетрадиционных технологий (в особенности, такого агротехнического приема как мульчирования поверхности почвы растительными остатками в сочетании с ее минимальной обработкой) на эффективность использования водных и почвенных ресурсов в сельскохозяйственных экосистемах.
Разработанные методы могут быть использованы при разработке стратегии адаптивного земледелия, а также при оценке экологической безопасности различных агротехнологий. В последнее время областью исследования Лаборатории стали также проблемы формирования углеродного баланса лесных, полевых и сельскохозяйственных экосистем.

В России, также как и в других странах мира, к настоящему времени накоплен и вводится в практику достаточно богатый и разнообразный опыт научно обоснованных агротехнологий, касающихся минимальной, безотвальной, плоскорезной, "нулевой" обработки почвы и мульчирования почвы растительными остатками. Эти технологии направлены не только на актуальное в данный момент увеличение урожая, но и на снижение эрозии на пахотных землях, сохранение плодородия почв, являющегося залогом будущих урожаев.

Разработка и внедрение подобных технологий подчиняется природоохранному принципу, основанному на "обучении" у самой природы. Они основаны на историческом опыте земледелия и современных исследованиях в области сельскохозяйственных наук и почвоведения. В ряде работ отмечается, что перспективными и в тоже время реально осуществимыми в России являются такие технологии как безотвальное рыхление, т.е. отказ от ежегодного оборачивания обрабатываемого слоя почвы и ежегодного глубокого (более 20 см) рыхления почвы, мульчирование поверхности почвы, обеспечивающее постоянное (в течение всего года) покрытие ее поверхности растениями и растительными остатками. Однако, в силу большого разнообразия для различных районов страны климатических, почвенных, а также экономических условий трудно, а может быть и невозможно, предложить универсальную совокупность приемов земледелия. Выбор того или иного агротехнического приема в конкретном месте может быть основан на сравнении эффективности его применения с эффективностью других технологий, в том числе и традиционных, в значительной мере использующих отвальную глубокую вспашку и орошение сельскохозяйственных посевов.

Таким образом, возникает задача разработки методики оценки эффективности различных агротехнических приемов в разных природных условиях. Рассмотрению подходов к решению этой задачи и посвящены исследования, проводимые Лабораторией в рамках данного направления (см публикации Лаборатории на данном сайте).

Как было отмечено, одним из важнейших элементов почвозащитной системы обработки почвы является применение минимальной обработки почвы с обязательным мульчированием ее поверхности растительными остатками. Влагонакопительный эффект мульчирования заключается в снижении непродуктивного расхода влаги за счет испарения с поверхности почвы, особенно в предвегетационный период. Этот запас влаги является наиболее крупным резервом воды для производства сельскохозяйственных культур.

Разработанный сотрудниками Лаборатории метод оценки ресурсов почвенных вод и их изменения под влиянием мульчирования посевов яровой пшеницы растительными остатками (главным образом соломы) позволил оценить роль этого приема на повышение водообеспеченности возделываемых сельскохозяйственных культур на обширной сельскохозяйственно значимой территории Русской равнины, охватывющей районы степной, лесостепной, полупустынной и лесной природных зон.

Исследовалось влияние толщины слоя мульчирующего покрытия из растительной соломы на изменение следующих среднемноголетних режимных характеристик посева: показателя водообеспеченности растительного покрова, коэффициента полезного использования фитоценозом местных ресурсов почвенных вод, дефицита испарения фитоценоза, оросительной нормы, урожая посевов пшеницы на неорошаемых полях. Осреднение проводилось по результатам расчетов указанных характеристик по конкретным годам.

Проведенное исследование показало, что заметное влияние толщина слоя растительной мульчи оказывает на изменение всех рассмотренных характеристик в пределах первых 4-5 см. Дальнейшее увеличение толщины слоя мульчи практически на эти параметры не влияет. Что касается влияния мульчирования на перечисленные выше режимные характеристики, то в целом отмечается положительное воздействие этого агротехнического приема на улучшение всех показателей водного режима посевов яровой пшеницы.

Проведенная оценка эффективности мульчировании полей пшеницы для экономии поливной воды с точки зрения прироста урожая показала, что во всем регионе в основном прослеживается тенденция к увеличению прироста урожая на единицу оросительной воды - до 5-6 и даже до 9 ц/га в лесной зоне, в некоторых районах лесостепной и даже степной зон Украины и на Северном Кавказе. Как правило, это территории с достаточным увлажнением., хотя имеются и исключения. К юго-востоку, т.е в направлении районов с повышенной засушливостью климата, прирост урожая при использовании мульчирования значительно уменьшается и составляет 3-4 ц/га .

В Лаборатории также была разработана методика оценки энергетической эффективности применения различных агротехнических приемов в сельскохозяйственных ценозах, учитывающая влияние этих приемов на изменение энергии почвы, определяемой прежде всего запасом гумуса. Методика сравнительной оценки эффективности различных систем земледелия в степной и лесостепной зонах России была апробирована на четырех агротехнических приемах: отвальной вспашке (на глубину до 20 см), отвальной вспашке с использованием орошения, безотвальной обработке почвы ( на глубину 8-15 см),выполняемой плоскорезами, противоэрозионными культиваторами, лущильниками и т.д., мульчировании почвы соломой в сочетании с ее безотвальной обработкой. Первые два широко используемых приема составляют основу традиционной системы земледелия, два последних являются наиболее перспективными составляющими нетрадиционной, ресурсосберегающей агротехнологии.

Полученные предварительные оценки энергетической эффективности рассмотренных агротехнологий, обычно используемых при выращивании пшеницы, дают возможность сделать вывод, что наибольшей эффективностью в выбранных районах степной и лесостепной зон России обладает нетрадиционная почвозащитная технология мульчирования поверхности почвы растительными остатками в сочетании с минимальной механической обработкой почвенного слоя.

Поскольку данная технология к тому же не вызывает увеличения используемых ресурсов (в отличие, например, от орошения), приводит, как было отмечено выше, к заметному, иногда существенному, снижению интенсивности и повторяемости засух, главным образом в лесостепной и степной зонах, то она может рассматриваться в качестве наиболее перспективной при стратегическом планировании развития земледелия в степной и лесостепной зонах России.

---

2. Участие Лаборатории в различных научных проектах

По указанным выше направлениям Лаборатория с 1993 года проводила и проводит хоздоговорные работы и исследования в рамках научных проектов при поддержке различными национальных и международных фондов, в частности таких как Госдепартамент США, Международной Научный Фонд Сороса, Российский Фонд Фундаментальных Исследований, Министерство промышленности, науки и технологий Российской Федерации и др. Среди этих проектов можно отметить следующие.

• Проект “Heat and water exchange at the land surface interface”, финансированный госдепартаментом США в рамках международной программы “Человек и биосфера”.
• Проект “Impact of the wind velocity on the vapour diffusion in dry surface layer of soil”, финансированный Международным научным фондом Сороса и РФФИ.

Проекты РФФИ :

• "Научные основы оптимизации использования ресурсов почвенных вод на пахотных землях степной и лесостепной зон";
• “Моделирование внутригодовой динамики процессов тепло- и влагопереноса в системе “почва-растительность-приземный слой атмосферы” в масштабе ячейки сетки климатических моделей”;
• " Теоретический и экспериментальный анализ формирования режима и ресурсов почвенных вод, их моделирование с учетом высокой антропогенной нагрузки";
• “Мезомасштабное моделирование тепловлагообмена поверхности суши с атмосферой”;
• “Регионализация гидрологических процессов для районов суши с различными физико-географическими условиями”;
• “Физико-математическое моделирование влаго- и теплообмена на водосборах бореальной зоны”.

Проект по заданию Мин.промышленности, науки и технологий РФ
"Исследование роли гидрологических процессов и водного режима в круговороте углерода"

Кроме того, Лаборатория в рамках международной кооперации гидрологических и климатических исследований участвует в ряде следующих проектов:

• Международный проект PILPS (Project for Intercomparison of Land surface Parameterization Schemes): этапы PILPS-2a, -2c, -2d, -2e; PILPS-C1.
• Международный проект SnowMIP (Snow Model Intercomparison Project).
• Международный проект Rhone-AGG (Rhone AGGregation experiment).
• Международный проект MOPEX (MOdel Parameter Estimation Experiment).
• Международный проект GSWP2 (The second Global Soil Wetness Project).

---

3. Международные связи Лаборатории

Лаборатория с 1996 г. постоянно участвует в упомянутом выше международном проекте PILPS, инициированном существующим уже долгие годы международным проектом The Global energy and water cycle experiment (GEWEX).
     Целью PILPS (как и другого международного проекта - Rhone-Aggregation experiment, в котором сотрудники Лаборатории также принимали участие) является сравнение качества осуществляемого модельерами разных стран модельного воспроизведения потоков тепла, влаги и углекислого газа в наземных экосистемах, а также других характеристик их водного, теплового и углеродного режимов. Сравнение производится на основе сопоставления результатов моделирования с данными наблюдений, полученными в ходе комплексных международных геофизических и гидрологических экспериментов. Результаты проведенных сопоставлений показали, что упомянутая выше разрабатываемая в Лаборатории модель SWAP относится к числу лучших моделей подобного класса в мире.
Кроме того, сотрудники Лаборатории участвует в международном проекте MOPEX, цель которого - разработка методов подготовки информационной основы по параметрам поверхности суши, необходимой для моделей, описывающих тепло- и влагообмен суши с атмосферой, в международном проекте SNOWMIP, целью которого является сравнение качества моделей формирования снежного покрова, разрабатываемых научными коллективами разных стран, а также в проекте GSWP2, цель которого - исследование способности моделей взаимодействия суши с атмосферой воспроизводить процессы формирования увлажнения территории суши, снежного покрова, потоков тепла и влаги, речного стока и т.д в масштабах земного шара на основе использования мировых баз данных по характеристикам почвы и растительного покрова.
По вопросам формирования водного и теплового режимов степных экосистем в Лаборатории осуществляется сотрудничество с учеными Департамента Био- и сельскохозяйственной инженерии Техаского Университета (Колледж Стэйшен, США).
В рамках межакадемического безвалютного обмена между Словацкой и Российской академиями наук Лаборатория почвенных вод ИВП РАН давно и тесно сотрудничает с ведущими сотрудниками Института гидрологии Словацкой академии наук (ИГ САН, г.Братислава) по всем вопросам гидрологии суши. Сотрудники Лаборатории постоянно участвуют в различных международных симпозиумах, конференциях, рабочих встречах.

Наиболее важные публикации сотрудников лаборатории с 1993 года

Гусев Е.М.  Формирование режима и ресурсов почвенных вод в зимне-весенний период. М.: Наука, Физматлит. 1993.160 с.

Gusev Ye.M., Busarova O.Ye., Yasinsky S.V. Impact of mulch layer composed by organic remains on the soil thermal following snowmelt. Journal for Hydrology and Hydromechanics, 1993, vol.41, N1, 15-28.

Будаговский А.И., Гусев Е.М. Об основах учения о почвенных водах Водные ресурсы.Том 22. N2. 1995. С.133-140.

Будаговский А.И., Лозинская Е.А. (1996) Механизм тепло- и влагообмена в растительном покрове Водные ресурсы,  Т.23, N 6, стр.1-10. 

Гусев Е.М., О.Е.Бусарова, О.Н.Насонова (1996). К вопросу построения стохастических моделей колебаний испарения с поверхности суши // Водные ресурсы, T.23, N. 1, стр. 5-11.

Гусев Е.М., Бусарова О.Е. Определение коэффициента эффективной диффузии водяного пара в соломенной мульче //  Почвоведение. 1996. N6. С. 789-792.

Гусев Е.М., Насонова О.Н. (1996). Моделирование годовой динамики влагозапасов корнеобитаемого слоя почвы для агроэкосистем степной и лесостепной зон //  Почвоведение, N10, стр.1195-1202.

Будаговский А.И., Лозинская Е.А. (1997). Гидродинамическая схема переноса воды из почвы к листьям растений //  Водные ресурсы, Том 24, № 2, с.140-147.

Будаговский А.И., Лозинская Е.А. (1997). Влияние геофизических и биофизических параметров на транспирацию //  Водные ресурсы, Том 24, № 4, c. 389-397.

Гусев Е.М., Бусарова О.Е., Насонова О.Н. (1997) Мезомасштабное моделирование динамики влагозапасов почвыдля неоднородных территорий. //  Водные ресурсы, т.24, N 1, с. 27-36.

Гусев Е.М., Бусарова О.Е., Насонова О.Н. (1997) О возможностях статистического моделирования колебаний дефицита водопотребления агроэкосистем //  Водные ресурсы, т. 24, N2, с.148-153.

Gusev Ye.M., Nasonova O.N. (1997). Modelling annual dynamics of soil water storage for agro- and natural ecosystems of the steppe and forest-steppe zones on a local scale //  Agricultural and Forest Meteorology.  85 P.171-191.

Budagovskiy A.I., Lozinskaya E.A. A theoretical scheme for evaluating heat and water exchange between the land surface and the atmoshere //  Remote Sensing Reviews.   1998. Vol.17, pp.291-308.

Будаговский А.И., Лозинская Е.А. Полуэмпирическая теория суммарного испарения // Водные ресурсы. Том 25, N 5, 1998, стр.562-570.

Busarova O.Ye., Dzhogan L.Ya., Lozinskaya E.A. and Nasonova O.N. Turbulent Heat and Water Vapor Fluxes from Non-homogeneous Land Surface: Spatial Variability and Area Averaging // Remote Sensing Reviews. 1998. Vol.17, pp.309-327.

Гусев Е.М., Бусарова О.Е. (1998) Моделирование динамики относительной площади листьев злаковых культур //  Метеорология и гидрология 100-107. 

Гусев Е.М., Бусарова О.Е. Влияние скорости ветра на эффективный коэффициент диффузии пара в поверхностном слое почвы //  Почвоведение. 1998. N2. С.158-162. 

Wood E.F., Lettenmaier D.P., Liang X., Lohmann D., Boone A., Chang S., Chen F., Dai Y., Dickinson R.E., Duan Q., Ek M., Gusev Ye.M., Habets F., Irannejad P., Koster R., Mitchell K.E., Nasonova O.N., Noilhan J., Schaake J., Schlosser A., Shao Y., Shmakin A.B., Verseghy D., Warrach K., Wetzel P., Xue Y., Yang Z.-L., Zeng Q.-c. The project for intercomparison of land-surface parameterization schemes (PILPS) phase-2(c) Red-Arkansas River basin experiment: 1. Experiment description and summary intercomparisons // Global and Planetary Change. 1998. 19 (1-4), pp. 115-135.

Gusev Ye.M., Busarova O.Ye., Nasonova O.N. Modelling soil water dynamics and evapotranspiration for heterogeneous surfaces of the steppe and forest-steppe zones on regional scale //  Journal of Hydrology. Vol.206, N3-4,1998. P.281-297. 

Gusev Ye.M., Nasonova O.N. The land surface parameterization scheme Swap: description and partial validation //  Global and Planetary Change. 1998. Vol.19, N 1-4, pp.63-86.

Гусев Е.М. Испарение воды просыхающей почвой // Почвоведение. 1998. N 8, с.921-927.

Гусев Е.М., Насонова О.Н. Параметризация тепло- и влагообмена на поверхности суши при сопряжении гидрологических и климатических моделей //  Водные ресурсы. 1998. Т.25,  N 4, стр.421 -431.

Гусев Е.М., Бусарова О.Е., Насонова О.Н. Учет пространственной изменчивости территории при моделировании динамики влагозапасов и суммарного испарения для районов степной и лесостепной зон //  Водные ресурсы .  1998. Т. 25, № 5, с. 517-528.

Будаговский А.И., Григорьева Н.И., Шурхно Е.А. Основы методов оценки параметров транспирации //  Воды России на рубеже веков. М. Наука. 1999.

Будаговский А.И., Гусев Е.М. Почвенные воды: фундаментальные проблемы и результаты научных исследований //  Водные ресурсы.   1999.  Т. 26, №5, с. 540-553.

Гусев Е.М., Насонова О.Н. Опыт моделирования процессов тепловлагообмена на поверхности суши в региональном масштабе //  Водные ресурсы. 2000. Т. 27, №1, с .32-47.

Gusev Ye.M., Nasonova O.N. An experience of modelling heat and water exchange at the land surface on a large river basin scale //  Journal of Hydrology. 2000. Vol.233, N 1-4, pp.1-18.

Гусев Е.М., Насонова О.Н. Параметризация процессов тепловлагообмена в системе “грунтовые воды - почва - растительный / снежный покров - атмосфера” для территорий с четко выраженной сезонной изменчивостью климата //  Почвоведение. 2000. № 6, с.733-748.

Гусев Е.М., Джоган Л.Я. Методика оценки влияния мульчирования почвы растительными остатками на формирование водного режима агроэкосистем //  Почвоведение 2000. №11,  с.1403-1414.

Гусев Е.М., Насонова О.Н. Параметризация процессов тепловлагообмена в бореальных лесных экосистемах //  Известия АН. Физика атмосферы и океана. 2001. Т. 37. № 2. С. 182-200.

Nasonova O.N., Gusev Ye.M. Application of a land surface model for studying the role of boreal spruce forest in land surface - atmosphere interactions. 2001. IAHS Publ. no. 270, 65-71.

Slater A.G, Schlosser C.A., Desborough C.E., Henderson-Sellers A., Robock A., Vinnikov K.Ya., Mitchell K., Boone A., Braden H., Chen F., Cox P.M., de Rosnay P., Dickinson R.E., Dai Y.-J., Duan Q., Entin J., Etchevers P., Gedney N., Gusev Ye.M., Habets F., Kim J., Koren V., Kowalczyk E.A., Nаsonova O.N., Noilhan J., Schaake S., Shmakin A.B., Smirnova T.G., Verseghy D., Wetzel P., Xue Y., Yang Z.-L., Zeng Q. The representation of snow in land surface schemes: results from PILPS 2(d) // J.Hydrometeorology. 2001. Vol.2, pp.7-25.

Гусев Е.М., Бусарова О.Е. Энергетическая оценка эффективности агротехнологий // Почвоведение. 2001.  N 7, стр.832-844.

Гусев Е.М., Насонова О.Н., Бусарова О.Е. Параметризация тепло- и влагообмена на поверхности суши для территорий с умеренным континентальным климатом //  Водные ресурсы 2002. Т. 29. №1. С. 107-119., P. DIRMEYER S. FOX Y. GUSEV, I. HADDELAND, R. KOSTER D. L,S. MAHANAMA K. MITCHELL O. NASONOVA G.-Y. NIU A. PITMAN, J. POLCHER A. B. SHMAKIN K. TANAKA B. VAN DEN URK S. V ERANT D. VERSEGHY P. VITERBO AND Z.-L. YANG. The Rhone-Aggregation Land Surface Scheme Intercomparison Project: An Overview// Journal of Climate. 2004. V.17, pp. 187-208.

Gusev Ye.M. Nasonova O.N. The simulation of heat and water exchange at the land-atmosphere interface for the boreal grassland by the land-surface model SWAP //   Hydrological Processes. 2002. Volume 16, № 10, pp. 1893-1919.

Джоган Л.Я., Гусев Е.М. Воздействие мульчирования на водообеспеченность и урожайность яровой пшеницы в центральных и южных регионах Русской равнины // Почвоведение. 2003, № 11, с. 1371-1382.

Gusev Ye.M. and Nasonova O.N. The simulation of heat and water exchange in the boreal spruce forest by the land-surface model SWAP // Journal of Hydrology, 2003, Vol. 280, No 1-4, pp. 162-191.

BOONE A., F. HABETS J. NOILHAN D. CLARK