Simulation modeling and practical use of the hydrological function of detritus in soil engineering technologies

Abstract

The high water retention and water capacity functions of detritus determine its potential hydrological significance in the formation of the water regime of soils and phytoproductivity of forest landscapes. Using computer modeling of water exchange in the “soil-plant-atmosphere” HYDRUS-1D system, we preliminary studied the hydrological func- tion of detritus for water retention of precipitation and root water consumption at different amounts and variants of the arrangement of detritus layers in the soil profile. The soil structures designed on the basis of this information for sustainable afforestation with increased carbon sequestration demonstrated in field experiments with water balance monitoring high efficiency in optimizing the water retention capacity of the soil and roots water consumption of the test crop (Glauca spruce) with a 2-3-fold reduction in unproductive water losses and a 1.5–2-fold increase in the current plant growth relative to untreated control. The physical mechanism of the detritus hydrological function is the formation of capillary barriers blocking evaporation and capillary resorption of soil water due to due to surface accumulation (forest litter) or placement in layers inside the soil (peat layers in constructosems).

References

1. Бамбалов Н.Н. Баланс органического вещества торфяных почв и методы его изучения. Минск, 1984. 2. Брянская И.П., Васенев В.И., Брыкова Р.А. и др. Анализ ввозимых почвогрунтов для прогнозирования запасов углерода в почвенных конструкциях Московского мегаполиса // Почвоведение. 2020. № 12. 3. Вадюнина А.Ф., Корчагина З.А. Методы исследования физических свойств почв и грунтов. М., 1973. 4. Дунаев А.И. Оценка изменения коэффициента фильтрации торфа при его осушении // Вестн. Брянской сельхозакадемии. 2013. № 5. 5. Гамаюнов Н.И. Тепломассоперенос в открытых системах. Тверь, 2009. 6. Гришина Л.А., Копцик Г.Н., Макаров М.И. Трансформация органического вещества почв. М., 1990. 7. Маслов Б.С. Гидрология торфяных болот. Томск, 2008. 8. Мигунова Е.С. Леса и лесные земли. М., 1993. 9. Молчанов А.А. Гидрологическая роль леса. М., 1960. 10. Рысин Л.П. Сложные боры Подмосковья. М., 1969. 11. Смагин А.В. Теория и практика конструирования почв. М., 2012. 12. Смагин А.В., Садовникова Н.Б., Назарова Т.В. и др. Влияние органического вещества на водоудерживающую способность почв // Почвоведение. 2004. № 3. 13. Судницын И.И. Движение почвенной влаги и водопотребление растений. М., 1979. 14. Терлеев В.В., Гиневский Р.С., Лазарев В.А. и др. Функциональное представление гидрофизических свойств почвы и его верификация // Агрофизика. 2020. № 2. 15. Трибис В.П. Оценка скорости минерализации органического вещества торфяных почв // Почвоведение. 1990. № 2. 16. Трофимов С.Я., Вотнер П., Куту М.М. Разложение органического вещества лесных почв в лабораторных условиях // Почвоведение. 1998. № 12. 17. Шеин Е.В., Позднякова А.Д., Шваров А.П. и др. Гидрофизические свойства высокозольных низинных торфяных почв // Почвоведение. 2018. № 10. 18. Gruda N. Sustainable peat alternative growing media // Acta Horticulturae. 2012. Vol. 927. 19. Markoska V., Spalevic V., Lisichkov K. et al. Determination of water retention characteristics of perlite and peat // Agriculture & Forestry / Poljoprivreda i Sumarstvo. 2018. Vol. 64 (3). 20. Murasyama S., Abu Bakar Z. Decomposition of tropical peat soils // JARQ. 1996. Vol. 30. 21. Rabbel I., Bogena H., Neuwirt B. et al. Using Sap Flow Data to Parameterize the Feddes Water Stress Model for Norway Spruce // Water. 2018. Vol. 10. 22. Simunek J., van Genuchten M.Th., Sejna M. The HYDRUS software package for simulating two- and three-dimensional movement of water, heat, and multiple solutes in variably-saturated media. Technical Manual, Version 1.0 // PC Progress, Prague, Czech Republic, 2006. 23. Smagin A.V., Sadovnikova N.B., Vasenev V.I. et al. Biodegradation of Some Organic Materials in Soils and Soil Constructions: Experiments, Modeling and Prevention // Materials. 2018. Vol. 11(10). 24. Smagin A.V., Sadovnikova N.B., Belyaeva E.A. et al. Capillary Effects in Polydisperse Systems and Their Use in Soil Engineering // Eurasian Soil Science. 2021. Vol. 54, № 9. 25. Terleev V., Nikonorov A., Badenko V. et al. Modeling of hydrophysical properties of the soil as capillary-porous media and improvement of Mualem-Van Genuchten method as a part of foundation arrangement research // Advances in Civil Engineering. 2016. Vol. 2016. Article ID 8176728. 26. Umarova A.B., Arkhangelskaya T.A., Suslenkova M.M. et al. Artificial soils for urban greening // IOP Conf. Series: Earth and Environ. Sci. 2021. Vol. 862.