Известия Оренбургского Государственного Аграрного Университета 2020 № 4 (84)

УДК 633/635 (470.55/57)

Испаряемость и испарение воды на Южном Урале, их влияние на агрономию

Ю.М. Нестеренко, д-р геогр. наук; Н.В. Соломатин, канд. с.-х. наук; А.В. Халин, канд. с.-х. наук

ФГБУН Оренбургский ФИЦ УрО РАН

Испаряемость–условная величина, характеризующая потенциально возможное (не лимитируемое запасами воды) испарение в данной местности при существующих в ней атмосферных условиях [1]. Испаряемость–процесс фазового перехода вещества из жидкого состояния в парообразное или газообразное, происходящий на поверхности вещества. На земной поверхности под испаряемостью подразумевается максимально возможное испарение воды при данных метеорологических условиях с достаточно увлажнённой подстилающей поверхности, т.е. в условиях неограниченного запаса влаги. Она равна слою испарившейся воды с поверхности испарителя, размещённого на поверхности водоёма, или с поверхности пресноводного бассейна, не имеющего инфильтрационных потерь, или с избыточно увлажнённой почвы. Величина испаряемости зависит в основном от дефицита влажности в приземном слое воздуха и от его конвенции. Испаряемость формирует физическое испарение воды с земной поверхности и транспирацию растениями.

Материал и методы исследования. Для определения испаряемости предложено много способов. С.И. Харченко предлагает метод теплового баланса по формуле [2]:

E₀ = (R ₀–P₀ ) / L,

где E₀ – испаряемость;

R₀ – радиационный баланс, разность между поглощённой солнечной радиации водной поверхностью и эффективным её излучением в данной местности;

P₀ – теплообмен между верхним и нижележащими слоями воды;

L – затраты тепла на испарение.

А.Р. Константинов для расчёта испаряемости предложил использовать среднемесячные дефициты влажности воздуха, основываясь на формуле Дальтона (1803), описывающей зависимость скорости испарения и испаряемости от факторов окружающей среды [3]:

где V – скорость испарения, мм;

k – коэффициент пропорциональности;

E_s – упругость водяного пара при температуре испаряющей поверхности;

e – фактическая упругость водяного пара;

P – атмосферное давление;

f (v) – функция ветра.

Испарение широко распространено в природе, и это также процесс перехода воды из жидкого состояния в парообразное, происходящий на земной поверхности, с её почвы, каких-то предметов и транспирацию растительностью, но с возможным ограничением её доступности. Доступность воды часто становится ограничительным фактором испаряемости, определяемой атмосферными условиями. Расчёты испарения, так же как и испаряемости, основаны на формуле Дальтона с использованием теплового баланса и дефицита влажности воздуха.

Результаты исследования. На Южном Урале водные ресурсы формируются в основном атмосферными осадками (рис. 1). Их количество меньше возможной испаряемости по климатическим условиям, что обусловливает аридность его климата и системы агрономии. Однако во время выпадения атмосферных осадков в жидкой или твёрдой фазе они превышают испаряемость, ограниченную погодными условиями, и неиспарившаяся их часть расходуется на формирование снежного покрова, накопление влаги в почве, поверхностный сток и питание подземных вод. Распределение испаряемости по территории Южного Урала, во многом определяющей структуру водного баланса, представлено на рисунке 2. Его анализ показывает, что средняя испаряемость (Е ₀ ) на юге региона достигает 1000 мм при 300 мм средней годовой сумме атмосферных осадков, формируя климат сухой степи. На севере Южного Урала испаряемость уменьшается до 700 мм при 550 мм средней годовой суммы атмосферных осадков, формируя климат лесостепной зоны.

Рис. 1 – Карта-схема распределения среднемноголетних атмосферных осадков на Южном Урале, мм (составлена по данным справочников) [4–6]

Рис. 2 – Карта-схема распределения среднемноголетней испаряемости на Южном Урале, мм (составлена по дефициту влажности воздуха по данным Росгидромета)

Взаимосвязь испаряемости и атмосферных осадков характеризуется коэффициентом увлажнения K_ув , = Е ₀  / А. Для условий Южного Урала он показан на рисунке 3.

Рис. 3 – Карта-схема распределения коэффициента увлажнения (K _ув ) на Южном Урале (составлена по материалам Росгидромета)

Величину испарения можно определить по водному балансу как разность между атмосферными осадками и речным стоком.

На Южном Урале на поверхностный и подземный водные стоки приходится 20 – 40 % атмосферных осадков, а основная их часть (60 – 80 %) идёт на физическое испарение с почвы и транспирацию растениями, объединённые в понятие суммарное испарение. В условиях Южного Урала суммарное испарение значительно меньше испаряемости. В период засух, когда фактическое суммарное испарение близко к нулю вследствие малого количества воды в почве, испаряемость многократно превышает его. Однако после таяния снега и после интенсивных дождей оно в основном равно суммарному испарению и определяется атмосферными условиями.В биоценозах соотношение между физическим испарением и транспирацией определяется интенсивностью развития растительности, долей покрытия ею земной поверхности. На покрытых растительностью участках преобладает транспирация, а на открытых идёт физическое испарение влаги, ухудшающее качество почвы.

На Южном Урале, в условиях превышения испаряемости над атмосферными осадками, большое значение имеет дефицит влажности воздуха.

Дефицит влажности (Д)–неполное насыщение воздуха парами воды и определяется разностью между максимально возможной упругостью пара (Е) насыщающей и фактической упругостью водяного пара при данных температуре воздуха и атмосферном давлении (е). Максимальная упругость водяного пара (E ₀ )–максимально возможное парциальное давление водяного пара в атмосфере при данной температуре. Воздух с максимальным содержанием водяного пара называется насыщенным. Величина E₀ зависит от температуры воздуха (табл. 1). Чем выше температура воздуха, тем больше паров воды он может содержать.

1. Зависимость содержания водяного пара в атмосфере от температуры воздуха [7]