Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние проблемы 6
1.1. Пространственная неоднородность почвенно-физических свойств 6
1.2. Статистические и геостатистические подходы к оценке вариабельности почвенных свойств 11
1.3. Традиционные и современные подходы к оценке агрофизического состояния почвенного покрова 18
1.3.1. Традиционные принципы и критерии оценки 18
1.3.2. Применение ГИС-техшшогий в агрофизике 24
1.3.3. Педотрансферные функции и возможность их использование для оценки агрофизического состояния почвенного покрова 29
1.3.4. Прогнозная оценка агрофизическая оценка почв с помощью индекса оптимальности водно-воздушного режима (ИОР) 33
Глава 2. Объекты и методы исследований 37
2.1. Общая характеристика территории Владимирского ополья 37
2.2. Характеристика участка исследований 44
2.3. Методы исследований 46
Глава 3. Результаты исследований 48
3.1. Пространственно-временная вариабельность физических свойств комплекса серых лесных почв опытного участка ВНИИСХ 48
3.2. Комплексная агрофизическая оценка почвенного покрова с помощью восстановленных по педотрансферным функциям ОГХ 63
3.3. Комплексная агрофизическая оценка почвенного покрова с помощью индекса оптимальности водно-воздушного режима почв (ИОР) 72
3.4. Влияние пространственной неоднородности почвенного покрова и физических свойств на урожай сельскохозяйственных культур... 75
Выводы 79
Список литературы 81
Приложение 98
- Статистические и геостатистические подходы к оценке вариабельности почвенных свойств
- Традиционные и современные подходы к оценке агрофизического состояния почвенного покрова
- Комплексная агрофизическая оценка почвенного покрова с помощью восстановленных по педотрансферным функциям ОГХ
- Влияние пространственной неоднородности почвенного покрова и физических свойств на урожай сельскохозяйственных культур...
Введение к работе
Одним из основных факторов, лимитирующих продуктивность агрофи-тоценозов, является неудовлетворительное физическое состояние почвы. Именно оно определяет водно-воздушный, газовый и тепловой режимы почвы, а, следовательно, процессы переноса и поступления питательных веществ, дыхания растений, развитие корневой системы. Многими исследователями физическому состоянию отводится важная роль при эволюции и функционировании почвенного покрова [10; 105]. Оценка физических основ почвенного плодородия, создание и поддержание оптимальных диапазонов физических свойств является важной задачей в практике земледелия, особенно при пространственном варьировании этих свойств почвы в широком диапазоне на одном сельскохозяйственном поле.
Цель данной работы: пространственная агрофизическая характеристика почвенного покрова Владимирского ополья на примере опытно-производственного участка Владимирского НИИ сельского хозяйства. Задачи:
Исследование пространственного варьирования физических, свойств комплекса серых лесных почв по равномерной сетке опробования:
Агрофизическая оценка исследуемой территории на основе общепринятых классификаций и с использованием восстановленной с помощью педотрансферных функций основной гидрофизической характеристики (ОГХ).
Прогнозная оценка физического состояния почвенного покрова с помощью индекса оптимальности водно-воздушного режима (НОР).
Исследование и оценка влияния пестроты почвенного покрова и варьирования физических свойств на урожайность сельскохозяйственных культур.
Научная новизна. В условиях высокой пространственной вариабельности физических свойств почв впервые апробирована комплексная агрофизическая оценка почвенного покрова с помощью восстановленных по педотрансферным функциям ОГХ, что позволило на основе прогнозного водно-воздушного режима территории охарактеризовать агрофизические условия комплексного почвенного покрова.
Практическая значимость. Исследование пространственного распределения агрофизических условий и использование комплексных критериев, основанных на качественной и количественной оценке основных элементов водно-воздушного режима, будет определять применение экологически оправданных мелиоративных и агротехнических мероприятий в пространстве и времени. Это позволит в полной: мере использовать преимущества; точного адаптивно-ландшафтного земледелия и достигнуть устойчивой производительности и экологически благоприятного развития сельскохозяйственных ландшафтов.
Апробация. Основные результаты работы были доложены на школе-семинаре факультета почвоведения МГУ «Масштабные эффекты при исследовании почв», Москва, октябрь 2001 г.; заседании кафедры физики и мелиорации почв факультета почвоведения МГУ, ноябрь 2003 г.; Всероссийской конференции «Фундаментальные физические исследования в почвоведении и мелиорации», Москва, декабрь 2003.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 работ.
Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 111 страницах, включает 7 таблиц и 27 рисунков; состоит из введения, 3 глав, выводов, списка литературы, включающего 180 наименований, и приложения.
Работа выполнена на кафедре физики и мелиорации почв факультета почвоведения МГУ. Полевые результаты получены в течение 2001-2002 г.г. в составе почвенно-физической экспедиции кафедры физики и мелиорации почв в Суздальском районе Владимирской области на опытном участке Владимирского НИИ сельского хозяйства.
Автор глубоко признателен сотрудникам Владимирского НИИСХ д.б.н. М.А.Мазирову и кх-х.н. А.В.Корчагину, а также всем сотрудникам кафедры физики и мелиорации почв факультета почвоведения МГУ - участникам Суздальской экспедиции за помощь и консультации при выполнении работы.
Статистические и геостатистические подходы к оценке вариабельности почвенных свойств
В последнее время большое внимание уделяется проблеме неоднородности почв и почвенных свойств [42]. В основном, это связано с развитием точного земледелия "highech sustainable agriculture" [169], основанного на учете пространственной вариабельности характеристик конкретного поля [34, 58, 149]. Внедрение точного земледелия связано не столько с техническим обеспечением, сколько с получением подробной информации о конкретном поле [106].
В качестве характеристики варьирования величин отдельных почвенных признаков, таких как влажность, плотность твердой фазы, плотность сложения и др., как правило, применяется среднее квадратичное отклонение (стандартное отклонение) [52,41]:
Чем сильнее вариабельность признака и, следовательно, чем больше абсолютные величины центральных отклонений, тем больше получается абсолютная величина стандартного отклонения. В качестве меры относительной вариабельности применяется коэффициент вариации, не имеющий размерности и удобный, поэтому, при сравнении вариабельности различных свойств:
В работах Becket и Webster (1971) [134] показано, что на относительную степень варьирования большое влияние оказывает размер образца. В.П.Самсонова [104] установила, что при постоянстве линейных размеров исследуемого участка изменение объема образца от 10 см до 100 см приводит к уменьшению коэффициентов вариации в 1.5-3 раза. Hawley [152] наблюдал снижение стандартного отклонения влажности при увеличении объема образца. Однако, по мнению Е.А.Дмитриева и Р.А.Сибуля [45], уменьшение дисперсии значений плотности почв с ростом размеров образцов в значительной степени происходит из-за того, что существует корреляция между плотностью в соседних объемах почвы, а также методические ошибки, связанные с техникой отбора образцов.
Изучением варьирования плотности занимались многие исследователи [149]. Т.К.Быковская [17], изучая чернозем обыкновенный Ставропольского края, показала, что, несмотря на внешнюю однородность поля свойства почвы в его пределах заметно варьируют по многим показателям. Так коэффициент вариации для полевой влажности составляет 7-32%, для плотности - 7-13%. Схожие данные для черноземов мы наблюдаем и у других авторов [96, 86]. Данные, полученные Б.Ф.Апариным [5] для Нечерноземной зоны, также говорят о значительном варьировании агрофизических свойств внутри определенного полевого массива.
Многими авторами отмечалось, что величина коэффициента варьирования уменьшается вниз по профилю [141]. По данным Б.Ф.Апарина [5] плотность верхних горизонтов почвы имеет наибольшую изменчивость: Cv 30-40% при колебаниях объемной массы от 0.5 до 1.54 г/см3. С глубиной среднеарифметическое значение плотности возрастает, и, соответственно, происходит уменьшение среднеквадратичного отклонения. При изменении ее в пределах 1.05-1.78 г/см3 коэффициент вариации уменьшается от 28 до 6%. Снижение коэффициентов вариации с глубиной Н.С.Орешкина [88] объясняет уменьшением варьирования факторов, определяющих плотность. Тем не менее, необходимо отметить, что не все исследователи разделяют данное мнение. D.L.Mader [159], D.K.Cassel и A.Bauer [142] не обнаружили изменения коэффициента вариации с глубиной: по их данным коэффициент вариации плотности почвы в верхнем слое в среднем составляет около 10%. Пространственная вариабельность плотности сложения на различных участках дерново-подзолистых, каштановых почв и предкавказских черноземов изучена в работе В.Ф.Гридасова [28]. Его результаты показали, что средние квад-ратические отклонения колеблются в диапазоне от 0.12 до 0.18 г/см и не изменяются существенно по глубине. Значительный интерес для исследователей составляет изучение варьирования параметров движения влаги в почве (гидравлическая проводимость, впитывание и др.).
На варьирование впитывания большое влияние оказывает не только структура почвенного покрова, но и влажность, поэтому оно может сильно изменяться во времени в одной и той же точке. Кроме того, на скорость впитывания также влияет количество и характер крупных влагопроводящих пор (крупные корневые поры, трещины, ходы беспозвоночных, землероев). Параметры движения влаги в почве характеризуются значительной изменчивостью, и логарифмы этих величин распределены по нормальному закону с коэффициентом вариации иногда большим, чем 50% [133,155, 160].
Известно, что скорость впитывания - самое изменчивое свойство [88]. В разных почвах, биогеоценозах и в одной и той же почве она может изменяться от долей до десятков и сотен миллиметров в минуту (мм/мин). Так, для пахотной дерново-подзолистой почвы коэффициент варьирования составил 71%.
Вариабельность почвенной влаги зависит от объема образца и от размера территории, где отбираются образцы. Например, Hawley [152] описывал снижение стандартного отклонения W с увеличением объема образца. В то же время J.B.Sisson и PJ.Wierenga [170] обнаружили, что стандартное отклонение скорости инфильтрации уменьшается с увеличением диаметра кольца инфильтрации.
Еще один параметр, который также значительно варьирует даже в пределах сравнительно небольшого почвенного участка - влажность [127]. Это один из самых динамичных почвенных параметров. В течение всего вегетационного периода влажность меняется как во времени, так и пространстве. Она бывает более или менее стабильна весной после снеготаяния или осенью в конце вегетационного периода, до начала дождей. Влажность зависит от многих факторов [165]: состава и сложения почвенного профиля, количества и характера атмосферных осадков, уровня грунтовых вод, состава и состояния растительности, микро- и нанорельефа [103] и т.д. Степень варьирования влажности зависит от категории влаги [88], т.е. степени ее подвижности. Так, при влажности в интервале ВЗ-ВРК наблюдается наибольшее варьирование влажности, так как почвенная толща неравномерно иссушается вследствие десукции и испарения. D.R.Nielsen [162], O.Babalola [133] и T.C.Yen с соавторами [179] свидетельствуют о том, что стандартное отклонение увеличивается с уменьшением влажности.
Традиционные и современные подходы к оценке агрофизического состояния почвенного покрова
Агрофизика, в ее разделе учения о физических свойствах и процессах в почвах и растениях, до последнего времени развивалась в направлении оценки свойств в пределах одной почвенной разности, педона. К настоящему времени многочисленными исследователи были разработаны качественные и количественные принципы и критерии оценки физических основ почвенного плодородия [18,23, 67]. В большинстве случаев традиционные подходы строятся на основе классификационных градаций отдельных свойств почвы и включают такие показатели, как объект (почва и культура) и оптимальные диапазоны значений физических свойств в пахотном слое [12]. Плотность почвы достаточно легко определяется в полевых условиях, и поэтому ее часто принимают в качестве обобщенного показателя физического состояния, оценки пригодности почвы для возделывания сельскохозяйственных культур. Она является характеристикой структуры почвы, увеличение которой указывает на уплотнение почвы, возрастание сопротивления пе-нетрации и росту корней растений [161]. Величина плотности сказывается на всем комплексе почвенно-физических условий: на водном, воздушном и тепловом режимах. Поэтому информативность этого показателя и обуславливает широкое применение плотности как при почвенно-генетических исследованиях, так и для агротехнической и почвенно-мелиоративной оценки почв. Оптимальные параметры плотности необходимы для оценки устойчивости сложения пахотного слоя почв, при разработке различных агротехнических приемов и зональных систем земледелия, для оценки работы сельскохозяйственных орудий, при изучении вопросов окультуривания почв, уплотняющего воздействия техники на почву и т.д. Вопросам оптимального сложения почвы, в первую очередь пахотного слоя, посвящены многочисленные научные исследования [95; 49; 50; 12; 72]. А.Г.Бондарев (цитата по А.Д.Воронину, [23]) предложил шкалу оптимальных показателей плотности для большинства возделываемых культур (103 кг/м3): Часто для агрофизической оценки используется сводная шкала А.Г.Бондарева и В.В.Медведева [12]. Она состоит из трех граф: показатель (почва и высеваемая культура), значение оптимального параметра (в данном случае - оптимальной плотности пахотного слоя, г/см3) и интервал его изменений. От плотности почвы зависит другой, не менее важный агрофизический показатель — порозность почвы, которая в значительной мере определяет во-доудерживаюшую способность почв, движение влаги и солей в почвенном профиле, доступность влаги растениям, содержание в почве воздуха. Общая порозность не может характеризовать истинное соотношение воды и воздуха в почве, поэтому АХ.Дояренко [28], Н.А.Качинский [66] и др. пришли к необходимости дифференцировать поры в почве, подразделяя их, по отношению к передвижению воды, на активные и неактивные.
Общепринято, что наибольшую агрономическую значимость имеют поры активные, занятые капиллярной водой, и поры аэрации, причем последних должно быть не менее 20-25% от общей порозности [18]. Н. АКачинский [66] дифференцировал порозность в почве по занятости пор различными категориями воды, кроме того, он выделял порозность отдельного агрегата, порозность агрегатную и межагрегатную. A.J.Thomasson [171] предложил классификацию почвенных структур на основе соотношения объемов двух категорий пор: аэрации и доступной влаги. В работах И.В.Кузнецовой [74] отмечалось, что дифференциальная порозность почв является важным фактором, обуславливающим распределение пор по размерам, изучение этой характеристики необходимо для направленного регулирования водного режима почв. Учитывая, интегральную составляющую плотности как показателя физических условий плодородия, И.В.Кузнецовой [72] сделана попытка выделения интервалов оптимальной плотности почв суглинистого гранулометрического состава с позиций оптимального для растений содержания воды и воздуха в почве, т.е. рассмотрена природа оптимальной плотности с точки зрения строения ее порового пространства. Автором предложено определение оптимальной плотности почв — как сложение, при котором характер распределения почвенных пор по размерам обеспечивает впитывание, фильтрацию влаги в почву при поступлении ее на поверхность, удержание и сохранение ее, достаточную подвижность и доступность растениям и одновременно обеспечивает оптимальное для жизни растений и микроорганизмов содержание воздуха в почве и его нормальный газообмен с атмосферой. Кроме того, оптимальная плотность почв предполагает определенное содержание пор такого диаметра, в которые свободно проникают корни растений и микроорганизмы. В работе [72] показано, что оптимальная плотность для суглинистых почв с разным содержанием органического вещества неодина-кова и варьирует от 1,03 до 1,36 г/см , изменяясь при увеличении содержания органического вещества в сторону меньших значений. При оптимальной плотности почв, при влажности, равной НВ, содержание воздуха и продуктивной влаги находится в отношении, близком к 1:1 при 20% воздуха или 1:1,5 при 15% воздуха, что обуславливает благоприятные физические условия плодородия почв. Для ориентировочного расчета интервалов оптимальной плотности почв различного генезиса и степени окультуренности С.И.Долгов и И.В.Кузнецова предложили использовать следующую формулу [49; 50; 72]: где сЦ% - плотность твердой фазы почвы, г/см3; du - плотность почвы, г/см3; Ж - наименьшая или полевая влагоемкость, % от массы; А. - содержание воздуха, %.
Комплексная агрофизическая оценка почвенного покрова с помощью восстановленных по педотрансферным функциям ОГХ
Характеристика почвенно-физического состояния на основе принятых классификаций не может быть полной без оценки реальных условий водно-воздушного режима, т.к. именно он является показателем потенциальной способности почвы к плодородию. В качестве показателей характеризующих состояние влаги в почве, ее подвижность и доступность для растений, в агрофизике принято использовать выражения влажности, позволяющие сравнивать различные почвенные условия между собой. Объектами для анализа являются, почвенно-гидрологические константы и их соотношения: НВ, ВЗ, воздухоемкость и диапазон доступной влаги. Учитывая сложность экспериментального определения этих констант по площади участка, был предложен и опробован подход их нахождения с использованием педотрансферных функций. Количественными критериями оценки водно-воздушного режима выступали диапазон доступной влаги и воздухоемкость почв. С помощью педотрансферных функций (ПТФ) были восстановлены ОГХ для всех точек исследований на опытном поле. В основе базы для получения ПТФ использовались данные М.А.Бутылкиной [16] по физическим свойствам серых лесных почв и экспериментальным ОГХ, а также данные по гранулометрическому составу для этих почв. Исходной информацией к расчету служили полевые и лабораторные данные по плотности почвы, коэффициенту впитывания, гранулометрическому составу, плотности твердой фазы и содержанию органического углерода.
Процедура получения ПТФ содержала: 1) определение достоверных корреляционных зависимостей для всего диапазона влажности при соответствующем давлении от физических свойств, и 2) нахождение связи между т.н. «критическими» константами на ОГХ (верхний и нижний пределы пластичности, НВ и ВЗ) от набора физических свойств [22]. Предварительно массив данных был разбит на текстурные классы (использовалась классификация Н.А.Качинского [66]), что является одним из необходимых условий получения ПТФ. При разделении массива данных по содержанию физического песка не удалось получить представительные выборки для всех классов, изменение же илистой фракции в почве имело более выраженный характер и подчинялось закону нормального распределения (рис.17, 1 8). Поэтому было предложено применить разделение ПТФ по содержанию илистой фракции, учитывая квартальный размах — нижний, верхний и средний пределы распределения. В результате были получены ПТФ для трех классов илистой фракции: 12%, 12-20%, 20% (табл.4). По каждому классу найдены зависимости по двум методам — всей ОГХ (влажность при определенном давлении) и 111 К.
Полученные мультирегрессионные уравнения оценивались по F-критерию с уровнем значимости. р 0.05. Сравнительный анализ 111 К (табл.5) и статистик распределения ошибки (рис. 19) выявил статистическую значимость и высокую сходимость результатов восстановленных и экспериментальных данных. Как видно на графике Box & Whisker (рис.19), ошибки восстановленных констант не превышают варьирование констант, рассчитанных из лабораторных ОГХ (по данным М.А.Бутылкиной [16]). Для оценки качества моделей на отсутствие систематических ошибок использовались уравнения линейной регрессии погрешностей с реальными величинами (Я.А.Пачепский, 1992 [90]): Д=а2 у+аь где А - погрешность; ai и а2 - параметры уравнений; у - измеренные величины. При этом были проверены две статистические гипотезы: 1) недостоверность отличия а[ от нуля, означающая отсутствие систематической погрешности, и 2) недостоверность отличия а2 от нуля, означающая отсутствие зависимости погрешности от значений измеряемых величин,. Как видно из таблицы 6 результаты исследований параметров уравнений не выявили систематической погрешности модели, а также зависимости погрешностей от диапазона значений лабораторных данных, что говорит о-применимости полученных ПТФ. Используя восстановленные из указанных констант ОГХ методом «секущих» по А.Д.Воронину [22] была определена наименьшая влагоемкость (НВ), а также влага завядания (ВЗ) при общепринятом в зарубежной научной литературе давлении влаги 15000 см водного столба (pF=4.18) (рис.20). С помощью полученных почвенно-гидрологических констант был произведен расчет воздухоемкости (Б — НВ) и диапазона доступной влаги (НВ — ВЗ), и построены изоплеты послойного распределения этих свойств по площади исследуемого участка (рис.21). Это позволило выделить неблагоприятные в отношении содержания воздуха и влаги зоны на территории опытного участка, и найти взаимосвязи пространственного расположения этих зон с неоднородностью почвенного покрова.
Влияние пространственной неоднородности почвенного покрова и физических свойств на урожай сельскохозяйственных культур...
Предполагая, что определяющей причиной потенциального плодородия исследуемой территории является пестрота почвенного покрова и пространственное распределение контрастных агрофизических зон, была поставлена задача - исследовать их влияние на урожай сельскохозяйственных культур.
В целях достижения более достоверных результатов данные по урожайности Владимирского НИИСХ (2002г.) были дополнены данными, полученными методом наложения рамы (0,5 0,5 м) прямо над точками исследований (общее число дат - 64).
Для сравнения продуктивности различных сельскохозяйственных культур между собой и в разные годы исследований урожайности (ц/га) были переведены в относительные единицы (отношение реального урожая к среднему), а затем с помощью программы Surfer были построены изоплеты пространственного варьирования урожайности по площади участка (рис.25). Анализ пространственного варьирования урожайности и математическая обработка с использованием разнообразных статистических методов и ГИС-технологий не выявила значимой связи урожайности с почвенными контурами. В качестве примера приведены описательные статистики варьирования урожая и показатели Syp (процентное распределение максимальных категорий урожайности к площадям почвенных контуров) (рис.26-а,б).
Как видно на рисунке 26-а максимальные и минимальные значения урожая наблюдаются у серых лесных почв, 50% доверительный интервал для каждой почвенной разности лежит в одной области перекрытия, а варьирование медианных значений не столь существенно, что было подтверждено тестом на достоверность различий. Анализ показателей Syp (рис.26-б) позволяет судить о равномерном распределении максимальных значений продуктивности сельскохозяйственных культур по площади опытного участка, дифференциация внутри почвенных контуров незначительна.
При высокой пространственной неоднородности продуктивности культур применяемых севооборотов (коэффициенты вариации 30%) фактор-«почва» в нашем исследовании не оказался определяющим в формировании урожая, влияние же агрофизических свойств проявилось более заметно и достоверно. Как подчеркивалось в наших исследованиях, почвы с BIT обладают лучшими агрофизическими характеристиками по сравнению с другими представителями комплекса серых лесных почв. Для них характерны меньшая степень уплотнения пахотного горизонта и большая влагоемкость в виду структурных особенностей второго гумусового горизонта.
