Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему

Агрофизическая оценка водно-воздушного режима черноземов при орошении

ВАК РФ 06.01.03, Агропочвоведение и агрофизика

Автореферат диссертации по теме "Агрофизическая оценка водно-воздушного режима черноземов при орошении"

РГ6 од

МОСКОВСКИЙ..ОРДЕНА ЛЕНИНА, ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ. им. М. В. ЛОМОНОСОВА

ФАКУЛЬТЕТ ПОЧВОВЕДЕНИЯ

На правах рукописи

Ыахновецкая Светлана Владимировна

АГРОФИЗИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ВОДНО ВОЗДУШОГО РЕМША ЧЕРНОЗЕМОВ ПРИ 0Р011ЕНИИ

Специальность Об. 01.1 к <. - агрофизика и агропочвоведение

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Москва, 1993

Работа выполнена на кафедре физики и мелиорации почв фа культета Почвоведения Московского государственного университета имени М. В. Ломоносова.

Научные руководители: доктор биологических наук,

профессор Е. а Шеин

кандидат сельскохозяйственных наук А. М. Русанов

Официальные оппоненты: доктор сельскохозяйственных наук

А. Г. Бондарев

кандидат биологических наук Е Ф. Басевич

Ведущее учреждение:,^ Институт Почвоведения и Фотосинтеза РАН Защита состоится "_£L', 9г. в 15 час. 30 мин. в аудитории М-2 на • заседании "специализированного Совета по почвоведению К 053.05.16. в МГУ им. М. К Ломоносова. Адрес: 119899, Москва, ГСП, Ленинские горы, МГУ, факультет Почвоведения МГУ, Ученый Совет.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке факультета Почвоведения МГУ.

Автореферат разослан "_" _ 1993 г.

Приглашаем Вас принять участие в обсуждении диссертации на заседании специализированного Совета, а отзывы на автореферат в двух экземплярах просим направить по адресу: 119899, Москва, ГСП, Ленинские горы, МГУ, факультет Почвоведения, Ученый Совет.

Ученый секретарь специализированного Совета

Г. В. Мотузова

Актуальность проблемы. Оитимиаацин водно-иоадушного режима почв о при орошении связана прежде всего с поливариантным прогнозом и агрофизической оценкой этих режимов. Наличие прогнозных математических моделей влагопереноса позволяет получать большое количество расчетных режимов почв,• которые необходимо оценивать и классифицировать. К настоящему времени вопрос о научно-обоснованном количественном анализе режимов недостаточно разработан: наряду с известными гидрологическими константами, такими как НВ, ВЗ и другими должны быть использованы критерии, позволяющие в числовом выражении характеризовать режим по обеспеченности растений влагой и воздухом за определенный промежуток времени как отдельных почвенных горизонтов, так и почвы в целом.

Цель работы. Разработка количественных критериев агрофизической оценки водно-воздушного режима черноземов при орошении.

Задачи исследования..

1.Обоснование количественных критериев агрофизической оценки водно-воздушного режима почв.

2.Экспериментальные исследования гидрофизических свойств и водно-воздушного режима черноземов при орошении.•

3.Агрофизическая оценка водно-воздушного . режима черноземов при орошении с помощью статистических параметров.

4.Использование количественных вероятностных параметров для прогнозной агрофизической оценки почв.

Научная новизна. Предложен вероятностный подход и обоснованы количественные критерии агрофизической оценки водно-воздушного режима почв. Разработана методика прогнозной агрофизической количественной оценки изучаемых почв, имеющая ряд преимуществ по сравнению с известными. Предложен индекс оптимальности режима.

Практическая ценность. Количественный анализ водно-воздуш-

ного режима и прогнозная статистическая оценка, проводимая с использованием "критических значений" режимных параметров, позволяет дать агрофизическую оценку й разработать рекомендации по регулированию водно-воздушного режима почв в связи с потребностями культур в почвенной влаге и воздухе.

ПАРАМЕТРЫ КОЛИЧЕСТВЕННОЙ АГРОФИЗИЧЕСКОЙ ОЦЕНКИ ВОДНО-ВОЗДУШНОГО РЕЖИМА

Первая классификация водных режимов почв была предложена Г.Н.Высоцким (1934) и в дальнейшем была дополнена и развита A.A.Роде (1956), В.А.Ковдой (1973) и др.. A.A.Роде (1956) построил свою классификацию на основе предложенных Г.Н.Высоцким признаков (охват влагооборотом почвенно-грунтовой толщи, характер .передвижения влаги в почвенной толще), дополняя ее такими признаками, как источник увлажнения и степень увлажнения. Степень увлажнения почвы А.А.Роде характеризовал качественно по наличию гидрологических горизонтов с определенной категорией и формой влаги. Анализ режима строился на основе использования гидрологических констант.

В дальнейшем концепция гидрологических горизонтов при классификации типов водного режима получила свое развитие в работах Ф.Р.Зайдельмана (1985). И.И.Судницына (1979,1986), Бондарева (1981,1983), Д.Ф.Ефремова, Л.О.Карпачебского и др. (1986). В исследованиях И.И.Пологовой (1985), Т.А.Романовой и Ж.В.Капи-левич (1981), И.Н.Соловьева (1988,1989) и др. было предложено для анализа водного режима использовать аппарат вероятностной оценки. Так И.И.Пологова (1985), анализируя водный режим почв,

выделяет несколько фаз (периодов) состояния увлажнения. Количественный анализ режима строится на расчете вероятности встречаемости фаз в разные годы. Для количественной оценки водного режима почв в работе Т.А.Романовой, Ж.А.Капилевич (1981) предлагается временной показатель - "увлажненность", который рассчитывается по числу дней в году, в течение которых в верхнем 20-см слое наблюдается недостаток влаги (влажность меньше ВРК) и избыток влаги (влажность больше НВ). В работах И.Н.Соловьева •(1988,1989) анализ динамики влажности в целинном черноземе проводится с помощью метода квантилей. Режим влажности характеризуется двумя параметрами - увлажненность (квантиль влажности 0.75) и иссушенность почв (квантиль влажности 0.25). Данная методика позволяет выделить почвенные слои с равной интенсивностью влаго-оборота.

Однако, предложенные подходы к количественной оценке режима не дают его абсолютной оценки, возможен лишь сравнительный анализ. Кроме того, большинство классификаций водного режима - генетические, учитывающие изменение процессов, формирующих почву, а не оценку конкретного режима с агрофизической точки зрения, -т.е. оптимальности воздухо- и водообеспеченности исследуемой сельскохозяйственной культуры в течение периода вегетации в пределах корнеобитаемого слоя.

В данной работе осуществлена попытка теоретического и экспериментального обоснования агрофизической оценки водно-воздушного режима, которая основывается на расчете вероятности появления определенных критических значений влажности и давлении почвенной влаги, соответствующих пределам диапазона оптимальной водо- и воздухообеспеченности растений. Анализ режима осуществляется на основе массива динамических данных о влажности и дав-

ления почвенной влаги с равным шагом по времени и по глубине в пределах корнеобитаемого слоя. При оценке режима давления почвенной влаги в качестве параметров оптимальности используются критическое давление почвенной влаги (Ркр), указывающее на ухудшение водного питания растений (Слейчер,1970; Судницын, 1979; Шеин, 1990), и давление барботирования (Рб), которое определяет условия недостатка воздуха в почве (Глобус,1987; Судницын и др.,1988; Сидорова и др..1988).

В качестве критических величин при анализе режима влажное!^ используются такие величины как 707. НВ, ВЗ и влажность, соответствующая 5Х-ному воздухосодержанию, указывающая на недостаток воздуха в почве (FA0.1985). Для учета вклада корневой системы в водо- и влагообеспеченность растений, величины вероятностей появления таких критических величин, как Рб, ВЗ, 70% НВ, являющихся собственно почвенными константами, .умножаются на соответствующую концентрацию корней в почвенном слое. Величина же Ркр определяется как почвенными свойствами, так и свойствами самого растения, в том числе и концентрацией корней в слое (Судницын, 1979), поэтому при статистической оценке режима давления Ркр не умножается на концентрацию корней. Расчет вероятности появления критических величин проводится по специальной методике с использование пакета программ NCSS.

ХАРАКТЕРИСТИКА ОБЪЕКТОВ И МЕТОДОВ ИССЛЕДОВАНИЯ

Исследования проводились на орошаемых черноземах степной во-ны (черноземах южных, Оренбургская обл.; черноземах кмных и черноземах южных вторично-луговых, Одесская обл.) и лесостепной зо-

- 5 -

ны (черноземах типичных, Воронежская обл.).

В Оренбургской обл. режимные исследования при орошении дождеванием осуществлялись на территории совхоза "Самородово" в районе со средне-континентальным климатом. Почвробразующие породы - лессовидные суглинки. Почвы - черноземы южные тяжелосуглинистые среднемощные. Орошение дождеванием на землях совхоза производится с 1981г. Поливная вода относится к разряду пресных. Почвы обладают в целом удовлетворительными агрофизическими свойствами (табл.1). Отмечается некоторое ухудшение (уплотнение, невысЬкая порозность аэрации), связанное прежде всего с длительным возделыванием люцерны (4 года).

В Одесской обл. исследования проводились на территории Нижне- Днестровской оросительной системы, в районе с умеренно-континентальным климатом. Почвообразующие породы - лессовидные суглинки и лессы. Орошение дождеванием (ДМ "Днепр") осуществлялось в течение 15 лет пресными гидрокарбонатно-кальциевыми водами р. Днестр. Почвы - черноземы южные тяжелосуглинистые слабогумусные среднемощные (Т. 1 с УГВ около 15 м, Т. 2 с УГВ около б - 8 м) и черноземы южные вторично-луговые (Т.3 с УГВ ойоло 140 см). Почвы обладают удовлетворительными агрофизическими свойствами (таблЛ). Уплотнение, пониженное содержание .агрономически ценных агрегатов', низкая порозность аэрации при НВ,' узкий диапазон активной влаги, связаны с длительным возделыванием люцерны и ин-' тенсивннм применением сельскохозяйственной техники. В 1988 году выращивалась люцерна, в 1989 - кукуруза на' силос.

В Воронежской обл. исследования проводились на территории совхоза "Дон". Климат района умеренно континентальный. Почвообразующие породы - лессовидные суглинки. Орошение дождеванием

Таблица 1

Некоторые агрофизические свойства изучаемых почв

почва горизонт, (глубина, см) плотность почвы, г/смЗ пороз-ность общая, X пороз- ность аэрации при НВ, % НВ, X к объему вз, % к объему ДАВ, X ЗПВ, мм содерж. агрегат. 10-0. 25 мм, % критерий водопроч-ности,Z коэффициент фильтр, см/сут.

чернозем южный (Оренбургская обл.) Ап( 0-Ю) (10-20) (20-35) АВ( 35-44) В (44-65) Вк( 65-80) (80-100) 1.40 1.30 1. 27 1.40 1.46 1. 61 1.69 44.0 48.4 48.8 43.5 44.1 36.1 36.2 8.9 14.3 15.9 • 11.6 18.5 12.5 12.6 35.1 34.1 32.9 31.9 25.6 23.6 22. 6 16.1 15.3 15:2 17. 9 17.1 17.0 17. 0 19.0 18. 8 17.7 14. 0 8.5 6.6 5. 6 19.0 18. 8 26.6 12.6 17.9 9.9 11.2 97.7 97.3 98.0 98.0 143.4 142.6 46.8 46.8 54.9 88.6 55.6 22.6

чернозем южный (Одесская обл. ,Т. 1) Ап( 0-10) (10-29) АВ( 29-44) В1( 44-57) Вк( 57-80) (80-116) 1.45 1. 45 1. 37 1.38 1.48 1.48 44.2 44.2 46.9 48.1 44.2 44.2 9.0 ' 9.0 16.9 20.5 13.8 15.0 35.2 35. 2 30.0 27.6 30.4 29.2 23.'9 23.9 20. 4 18.5 15.2 13.3 11.3 11.3 9.6 9.1 15.2 15.9 11.3 21.5 14.4 11.8 34.9 57.2 55.1 55.1 54. 0 54.9 61.0 50. 9 50.9 44.9 43.9 74.3 41.0 60.4 78. 6 91.0 99.4 19.5

чернозем типичный (Воронежская обл.) Ап( 0-10) (10-25) Al (25-40) (40-70) АВ( 70-80) 1.23 1.25 1.15 1.201.28 51.4 50.2 55.1 54.7 51.3 13.0 14.1 21.4 25.1 22.4 38.4 36.1 33.7 29.6 28.9 16. 7 17. 8 16.9 15.9 15.7 21.7 18.3 16.8 13.7 13.2 21.7 27.5 25.2 41.1 13.2 54.2 57.5 76.4 78. 3 3.1 8.9 19.7 6.6 26. 6 78.3 135.7 95.2 54.7

осуществлялось в течение 14 лет с помощью дбждевальной машины "Фрегат". Почвы - черноземы типичные тяжелосуглинистые средне-мощные. Агрофизические свойства изучаемых почв удовлетворительные. отмечается лишь пониженные содержания агрономически ценных и водоустойчивых агрегатов.

Методы исследования. Основные физические свойства и режимы почв исследовались традиционными методами (Вадюнина, Корчагина, 1983). Исследование динамики давления почвенной влаги проводилось с помощью тензиометров с ртутно-водяными манометрами (Корчунов и др. ,1960) и тензиометров с пузырьковыми манометрами конструкции И. И. Судницына (Судницын,1979). Давление'барботирова-ния определялось по методике, разработанной на кафедре физики и мелиорации почв факультета почвоведения МГУ, коэффициент фильтрации методом Хануса (Зайдельман,1988), концентрация корней и биомасса растений - традиционными методами.

КОЛИЧЕСТВЕННАЯ ОЦЕНКА ГОДИСЬ ВОЗДУШНОГО РЕЖИМА С ПОМОЩЬЮ ВЕРОЯТНОСТНЫХ ПАРАМЕТРОВ

В Оренбургской обл. проводился полевой, эксперимент, целью которого было обоснование использования метода вероятностных параметров для агрофизической оценки водно-воздушного режима почв. Нч четыре участка, находившихся друг от друга на расстоянии 10-15 м и идентичных по всем почвенно-генбтическим и сельскохозяйственным условиям,• были поданы разные нормы полива: на 1-ом полпвн.'Ш норма составила 28 мм, на 2-ом 47 мм, на 3-ем - 04 мм, 4-й не орошался. К началу эксперимента бил произведен укос лю-цор-ш В течение месяца пелись наблюдения за динамикой влаж-

- а -

ности, давления почвенной влаги, биомассой растений.

Ркр в • автоморфных условиях для люцерны на черноземных почвах составляет -40 кПа на глубине 40 см (Воронин и др.1990). Имея распределение давления почвенной влаги с глубиной, в момент. когда наблюдалось такое давление (-40 кПа на глубине 40 см), определяли величины давления по слоям в пределах основной части корнеобитаемой зоны (0-80 см). Полученные величины Ркр для чернозема южного (Оренбургской обл.) составили на глубине 10 см - - 65 кПа, на 20 см - -50 кПа, на 30 см - -45 кПа, йа 40,60,60,70,80 см - -40 кПа. Рб, определенное в лабораторных условиях, на почвенных монолитах, для этих почв составило -3 кПа."

Анализ режима давления почвенной влаги показал, что на 1-ом и 4-ом участках наблюдается высокая вероятность недостатка влаги в почве (Рис.1). На 4-ом участке вероятность Р<Ркр по всему профилю равна 1002, на 1-ом в верхних слоях была несколько ниже за счет полива. На 2-ом и 3-ем участках наблюдалась более низкая вероятность недостатка влаги в почве, на 3-ем участке она мало изменялась по профилю, на 2-ом'же отмечалось некоторое увеличение ее в нижней части профиля почвы, что связано с глубиной проникновения фронта увлажнения (рис.1).

Анализ режима влажности почвы также показан высокую вероятность недостатка влаги в почве на 1-ом и 4-ом участках. На 2-ом участке вероятности появления влажности 70 % НВ была также высокой, увеличиваясь вниз по профилю, на 3-ем значительно ниже. На 1-ом и 2-ом участках вероятность появления влажности ниже 70 X НВ наблюдалась не только в поверхностном слое, но и на глубине 60-60 см, что обусловлено проникновением фронта увлажнения при поливе лишь до глубины 40-50 см.

Количественная оценка водно-воздушного режима с учетом (при

20 40 60 80 100 М1.5

а)

20 40 60 80 100 М2,%

б)

20 40

60 И,см

10 20 30 40 из,%

в)

Рип.1. Распределение вероятностей появления: а) давления почвенной влаги меньше Ркр (М1Д); б) влажности меньше 702ПВ Оег* учета концентрации корней (М2,%); в) влажности меньше 7021Ш с учетом концентрации корней (М3,%) в черноземе южном (Оренбургская обл.). Цифрами обозначены номера участков.

умножении вероятности появления величин <70 7. НВ, ВЗ, >Рб на концентрацию корней в слое) и бее учета концентрации корней позволила выделить в почвенном профиле слои с активным водообменом. При Рис. 1 высокой вероятности недостатка влаги без учета кон. центрации корней и высокой вероятности с учетом концентрации корней изучаемый слой является слоем активного водопотребления . растениями (участки 1.2.4. слои 0-10, 10-20, 20-30, 30-40 см), почвенные горизонты с высокой вероятностью влажности меньше -70Х НВ бев учета концентрации корней и низкой вероятностью, с учетом концентрации корней, отмечаются как "неактивные" (участки 1,2,4 слои, от 40 до 80 см). Поэтому при оценке водного режима почв следует анализировать совместно вероятности появления "критических величин" как с учетрм, так и без учета концентрации корней по слоям почвы.

Оценка режимов по недостатку воздуха показала отсутствие анаэробиоэиса в почве: вероятность появления давлений влаги выше Рб близка к 0.

Полученная зависимость биомассы растений от вероятности недостатка влаги в почве (закономерное снижение биомассы с увеличением вероятности появления недостатков влаги) указывает на агрофизическое значение и возможность использования для оценки режимов предложенных параметров (рис.2).

Для подтверждения полученных зависимостей вероятностных параметров и урожая были проанализированы аналогичным образом два массива данных: режим давления почвенной влаги и влажности в черноземе южном орошаемом и черноземе южном орошаемом вторично-луговом (Одесская обл.), режим влажности в черноземе типичном (Воронежская обл.).

Исследование водно-вовдушного режима черновема типичного в

а.1:,

ц/га 160 120

80 40

20 40 60 80 100 ш,%

20 40 60 80 100

2 4 6 8 10 МЗ,

Рис.2. Зависимость биомассы люцерны (ЕМ, ц/га) от вероятности появления: (1) давления почвенной влаги меньше Ркр (№.,£); (2) влажности меньше 70% НВ без учета концентрации корней (М2Д); (3) влажности меньше 707,- НВ с учетом концентрации корней (М3,%) в черноземе южном (Оренбургская обл.).

10 20 30 40 №,%

Рис.3. Зависимость биомассы моркови (БМ, ц/га) от вероятности появления (М,%) влажности меньше 70%НВ в черноземе типичном (Воронежская обл.).

Воронежской обл. осуществлялось в течение вегетационного сезона с помощью другой методики. На однообразном с/х поле под морковью разбивалась сетка 150x150 м из 28 точек. На всех 28 точках экспериментально исследовали динамику влажности. Анализ режима проводился в корнеобитаемом слое (0-40 см) с равномерным шагом по времени и по глубине. По данным статистической оценки режима влажности почвы с помощью вероятностных критериев и биомассы растений по всем 28 изученным точкам получена зависимость биомассы от вероятности недостатка влаги в почве (рис. 3). Снижение биомассы растений с ростом вероятности влажности меньше 70% НВ, полученная с использованием данных по пространственно^ распределению водного режима и биомассы, также подтверждает возможность применения выбранньрс параметров оптимальности и способов оценки режима. Анализ режима влажности показал, что в почве не наблюдалось недостатка воздуха (вероятность влажности больше, чем влажность, соответструющая 5%-ному воздухосодержанию (Ув) равна 0).

В Одесской обл. в производственных условиях изучался водно-воздушный режим черноземов южных орошаемых (участок 1 с УГВ около 15 м, участок 2 с УГВ около 6-8 м) и черноземов южных орошаемых вторично-луговых (участок 3 с УГВ около 140 см, участок 4 с УГВ около 90 см) в течение двух вегетационных сезонов в 1988, 1909 годах.

Анализ водно-воздушного режима почв под люцерной 4-го года со стабильной корневой системой в 1988 году осуществлялся с использованием указанных выше критических параметров оптимальности (Ркр, Рб, ВЗ, 70% НВ и т. д.), по аналогичной методике. Здесь, однако, необходимо учитывать, что распределения Ркр по профилю автоморфных и гидроморфных почв различно. В автоморфных

условиях Ркр для составляет на 10 см -48 кПа, 20 - 42 кПа, 30 -41 кПа, 40 - 40 кПа, 60-38 кПа, 60 - 25 кПа, 70 - 27 кПа, 80 -28 кПа. В гидроморфных условиях Ркр на глубине 50 см равно -50 кЩ. Давление барботирования для поверхностных слоев этих почв составляло около -20 кПа. На основании данных аналива и данных укосов люцерны были получены зависимости прироста биомассы от вероятности недостатка.влаги в почве (рис.4), показывающие закономерное снижение прироста с увеличением вероятности недостатка влаги.

В 1989 году на этих же почвах изучался водно-воздушный режим под посевами кукурузы. В этих условиях распределение корней по глубине динамично, следовательно, необходимо учитывать и изменение Ркр с изменением концентрации корней в слое (Шзин,1990). Были получены динамики роста надземной и подземной биомассы, определены зоны в которых концентрация корней составляла около 90% в течение периода вегетации. Именно для них велись расчеты вероятностей недостатков влаги и воздуха в почве. В автоморфных условиях на черноземах для кукурузы в стадии выметывании метелки Ркр равно -30 кПа на глубине 30 см, в полугидроморфных условиях для этих же почв и культуры Ркр составляет -40 кПа на глубине 30 см (Воронин и др. , 1990). Значения Ркр для чернозема южного (УГВ "около 15 м) под посевами кукурузы в стадии выметывания метелки составили на глубине 10 см - 44 кПа, 20 - 40 кПа, 30-30 кПа, 40 - 27 кПа, 50 - 27 кПа; для чернозема южного (УГВ около 6-8 м) на 10 см - 57 кПа, 20 - 47 кЛа, 30-35 кПа, 40 - 20 кПа, 50 -18 кПа; для чернозема южного вторично-лугового (УГВ около 140 см) на 10 см -72 кПа, 20 - 50 кПа. 30 - 40 кПа. 40 - 18 кПа, 50 - 17 кПа. .Используя зависимости Ркр от концентрации корней и данные динамики роста концентрации корней, были определены вели-

л 5'.!,

ц/га сут. 4

3

2

I

"БМ, я/т а

400

300 200

100

10 20 30 40 50 Ж,%

ю-1-"— 20 30 40 50 М2,%

3 4

10 20 30 40 '50 60 70 М,5

I

Рис. 4. Зависимость прироста биомассы люцерны (дБМ, ц/га сут.) от вероятности появления: а) давления почвенной влаги меньше Ркр (Ш',%); влажности меньше 70%НВ без учета концентрации корней (М2,%); влажности меньше' 70%НВ с учетом концентрации корней (МЗ,Х) в черноземе южном орошаемом и черноземе южном орошаемом вторично-луговом (Одесская обл.).

Рис. 5. Зависимость биомассы кукурузы (БМ, ц/га) от вероятности появления (М,%) давления почвенной влаги меньше Ркр (а), влажности меньше 70% НВ (б) в черноземе южном орошаемом и черноземе южном орошаемом вторично-луговом. (Одесская обл.). Цифрами обозначены номера участков.

чины Ркр для разных стадий роста кукурузы для каждого ю-ти см слоя в пределах выделенной корнеобитаемой зоны (табл. 2).

Полученная зависимость биомассы кукурузы от вероятности недостатка влаги в почве показала заметное снижение биомассы с увеличением вероятности недостатка влаги в почве (рис.5). Некоторое снижение биомассы на участке 3, связано, по-видимому, с наличием периодов с недостатком воздуха в почве.' Таким образом, применяемые параметры оптимальности при оценке режима и способ оценки для однолетних культур с. динамичной корневой системой должен учитывать изменения Ркр в зависимости от гидрологических условий и от изменяющейся в процессе вегетации концентрации корней.

Следующей задачей по обоснованию предложенных вероятностных критериев агрофизической оценки было определение их чувствительности. Для этого по программе "SAMPAR" были апроксимированы ОГХ и кривые влагопроводности для черноземов южных (Оренбургская обл.). Далее по программе прогнозного поливариантного расчета водного режима "MOIST", разработанной ИШС РАН (Щербаков и др., 1981), были рассчитаны режимы давления почвенной влаги и влажности этих почв под посевами люцерны за один укос в годы с разной влагообеспеченностью (близкой к средним, влажным и засушливым условиям) и с разными количествами дополнительных осадков (1,3,10 мм). ■ статистический анализ режима проводился по использованной ранее методике. Во влажные годы (табл.3) с увеличением' количества осадков вероятность недостатка влаги либо не изменялась, оставаясь близкой к О (оценка режима влажности), либо изменялась, но незначительно (оценка режима давления почвенной влаги). В. средние и сухие годы, когда в почве наблюдался недостаток влаги, с увеличением дополнительных осадкоь вероятность

Таблица 2

Изменение Ркр й концентрации корней кукурузы в период вегетации для чернозема южного Одесской обл.

участок 1 (УГВ около 15 м)

участок 2 (УГВ около 7 м) | участок 3 (УГВ около 140 см)

время, сут.

глубина,см

т

|вре-| Имя, |-

глубина,см

Iвре-| Имя, |

глубина,см

т-1-1-|мл» i-1-1-г"-1-|мл. i-1-1-1-1-

10 I 20 | 30 | 40 | 50 |сут.| 10 | 20 | 30 | 40 | 50 |сут.| 10 | 20 \ 30 | 40 | 50

'_I_I_I_I_I_I_I_I_I_1_I_I_I_I_I_

концентрация корней,*10л-4 г/г (числитель), Ркр.кПа (знаменатель)

-1-1-1-1-1-

51 |1&0| | | |

147.01 III. 57 |34. 0[ 5.11 | | |59.0|41.0| | | 63 162/31 9^31 1ЛЭ| | [ 68. 0144. 0119. 0| | 67 180^11^01 1 1.2| 170. 0147. 0135. 0117.01 87 191^0115^71 а_0| 1/9| 1.0 172. 0150. 0140. 0118. 0117. О

55 59 65 73 87

&01 III

27.5| | | | 1210|1410| | 28.0|28.0| . | | 18. 0|21. 0|15. 0| | 29. О|29. 0|28.01 | 31. 0|33. 0|25.0| 2.81 37. 0136. 0129. 0127. О | 33.0137.0127.01 3.0| 2.5 44.0|40. 0|30.0127. 0|27. О

55 63 71 73 87

21.01 I I I

38.0| | | |

500|17^0| | |

48.0(35.0| | |

71.0|30.0|11.0| |

52. 0|41. 0132. 0| | 104.0|33. 0|12.5| 1.41

55. 0|42. 0)33.0119. 01' 126.0141.0115.01 1.71 1.5 57.0|47.0|35. 0|20. 0Ц8.0

Определение чувствительности предложенных оценке водно-воздушного режима чернозема годы с разной влагообеспеченностью

Таблица 3

параметров при агрофизической южного (Оренбургской обл.) в

г

допол-нитель ные

осадки, мм

влагообеспеченность

низкая

средняя

высокая

вероятность, %

-1-1-1-1-1-

Р<Ркр|Р>Рб|У<70%НВ|У>Ув|Р<Ркр|Р>Рб

-1-

86.5 |0.0

85.6 |0.0 84.6 |0.0 79.8 |0.0

У< 70ХНВ | Ув | Р< Ркр | Р> Рб

«<70%НВ|У>\Й

0

1 3

10

26.5 |0.0 165.4 |0.0

26.1 |0.0 |65.2 |0.0

23.9 |0.0 164.7 |0.0

22.9 |0.0 |62.5 |0.0

9.5 |0.0 |14.6 |0.8

9.2 |0.0 |14.3 |0.8

7.0 |0.0 |13.7 |0.8

5.8 |0.0 |11.5 |0.9

0.0 |0.0 0.0 |0.0 0.0 |0.0 0.0- |0.0 _I_

где Ув - влажность, соответствущая 52-ному воздухосодержанию

недостатка влаги уменьшалась, причем в сухие годы это уменьшение было более значительным, что подтверждает высокую чувствительность данных параметров к изменению водно-воздушного режима почв. Вероятность недостатка воздуха в почве в годы с низкой и средней влагоореспеченностью и разными нормами полива была равна нулю, лишь во влажные годы отмечалась небольшая вероятность недостатка воздуха (режим давления почвенной влаги), что с одной стороны обусловлено хорошими дренажными условиями исследуемой почвы, с другой - возможно, несколько заниженным предельно допустимым значением оценки воздушного режима (5*-ое содержание воздуха и Рб), что предполагает дополнительные исследования этого вопроса .

ПРОГНОЗНАЯ АГРОФИЗИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ПОЧВ

Агрофизическая оценка почв обычно строится на основе набора свойств или их сопряжения с использованием различных коэффициентов (структурности, дисперсности и др.). Медведев К К (1991) для агрофизической оценки почв предложил использовать обобщающий показатель фиэических свойств - "индекс физического состояния" (ИФС), который позволяет в числовом выражении характеризовать не отдельное свойство почвы, а агрофизическое состояние в целом. В качестве параметров, определяющих это состояние, автор предложил использовать: содержание агрегатов 10-0. 25 мм, водоустойчивость почвенной структуры, НВ, диапазон активной влаги, запас продуктивной влаги, водопроницаемость, порозность аэрации, плотность почвы. Предлагалось реальные значения данных показателей относить к оптимальным и находить среднее геометрическое. Чем ближе И<Г0 к единице, тем лучше свойства почвы.

Для черноземов южных (Оренбургская и Одесская обл.), черноземов типичных (Воронежская обл.) были рассчитаны И<К, при атом оценивался верхний корнеобитаемый слой почвы (0-40 см). Как показали расчеты, наивысший И$С имеют черноземы южные Оренбургской обл. (0.90), ниже ИДО черноземов южных Одесской обл. (0.73), что объясняется повышенной плотность почвы, низкой порозностью аэрации, небольшим диапазоном активной влаги. ИОС черноземов типичных Воронежской обл. равен 0.69, что связано прежде всего с пониженным коэффициентом фильтрации и критерием водоустойчивости структуры.

Учитывая стремительное развитие прогнозных математических моделей в почвоведении, а также то, что водно-воздушный режим является основой, главным агрофизическим фактором формирования урожая, а следовательно, и плодородия почвы, был предложен следующий подход к прогнозной оценке почв.

Основная гидрофизическая характеристика (ОГХ) и зависимость коэффициента влагопроводности от давления или влажности ("функция влагопроводности") являются функциональными (базовыми) структурно-гидрофизическими свойствами почвы (Глобус,1987, Воронин, 1984). В этих зависимостях отражена информация о гранулометрическом, микроагрегатном, агрегатном, минералогическом и др. 'составах почвы. Кроме того,каждая почва обладает определенным ее свойствами диапазоном активной влаги. Плодородие ее будет зависеть прежде всего от того, насколько осадки и поливы, по значению близкие к этому диапазону, будут удовлетворять потребности растений в почвенной влаге и воздухе. Задавая нормы полива и испаряемость, рассчитанные с учетом диапазона активной влаги, свойственного данной почве, имея математическую модель водно-воздушного режима почв с экспериментально определенными ОГХ и

функциями влагопроводности, можно рассчитать прогнозный вод-нб-воздушный режим почв за конкретный период. Затем проведя количественную, обоснованную выше, агрофизическую оценку этого режима, получить данные о вероятности недостатков влаги и воздуха в почве. По аналогии с индексом физического состояния Медведева можно рассчитать индекс оптимальности водно-воздушного режима, который будет определяться двумя параметрами - вероятностью V>707. НВ, W<Vb. Относя данные параметры к оптимальным (100%) и найдя их среднее геометрическое, получим индекс оптимальности водно-воздушного режима (ИОР).

• Начальными условиями для прогноза являлось распределение влажности по профилю, равное НВ. Условия на верхней границе: в течение 13-ти суток с верхней границы испарялось количество воды, соответствующее диапазону НВ - 707. НВ, эатем задавался полив в течение суток, равный указанному диапазону, и испарение - в течение 17-ти суток до запасов, равных, 70% НВ в изученной толще. Условия на нижней границе соответствовали изученным черноземам (градиент давления равен 1). Таким образом формировался водный режим почвы, который оценивался по индексу оптимальности водно-воздушного режима

По данной методике были рассчитаны предложенные показатели для черноземов южных Оренбургской обл. , черноземов южных Одесской обл., черноземов.типичных Воронежской обл. Чернозем типичный Воронежской обл. и чернозем южный Оренбургской обл. имеют высокий ИОР (0.96 и 0.94, соответственно), ИОР чернозема южного Одесской обл. значительно ниже (0.77). Предложенная методика оценки, учитывая связь вероятностных показателей с урожаем, позволяет количественно научно обоснованно, с применением современных подходов и прогнозных средств расчета, оценивать агрофизи-

ческое состояние почв.

Такой подход при прогнозной агрофизической оценке режима обладает рядом преимуществ, а именно: во-первых, дается количественная оценка почвы в целом, а не только отдельных ее горизонтов; во-вторых, оценивается формирующий урожай водно-воздушный режим почвы, "а не различным образом связанные, с урожаем отдельные свойства; в-третьих, возможна единая методика агрофизической оценки почв различных по генезису, гидрологии, почвообра-вующим породам и др. свойствам.

ВЫВОДЫ

1. Агрофизическая оценка водно-воздушного режима почв проводится в пределах корнеобитаемой зоны с использованием критических величин влажности и давления почвенной влаги, соответствующих пределам диапазона оптимальных водо- и вовдухообеспечен-ности конкретных сельскохозяйственных растений (критическое давление почвениой влаги, - Ркр, давление барботирования, - Рб, 70ХНВ, ВЗ, влажность, соответствующая 5Х-ному воздухосодержа-нию), и вероятности появления их в различных слоях и в почвенном 'профиле в целом.

2. Экспериментальные исследования физических свойств черно-вемов типичных (Воронежской обл.) и южных (Одесской и Оренбургской обл.) при орошении показали, что изучаемые почвы обладают в целом благоприятными агрофизическими свойствами, некоторое ухудшение их (повышенная плотность, снижение порозности аэрации и т.д.) в черноземах южных связано прелще всего с длительным вовделыванием люцерны.

3. Получены зависимости урожая растений от вероятности критических значений недостатка влаги для. условий динамических экспериментов о люцерной (сформированная корневая система), кукурузой (с учетом роста наземной и подземной биомассы, когда учитывается зависимость Ркр-от концентрации корней), а также для эксперимента, в котором изучалось пространственное распределение водных режимов и урожая на 28-и точках. Наблюдалось закономерное снижение урожая растений с ростом вероятности недостатков влаги в почве.

4. Вероятностная оценка водно-воздушного режима проводимая как с помощью почвенных констант (ВЗ.Рб и др.), так и с помощью параметров режима, определяющих потребности конкретных сельскохозяйственных культур во влаге на изучаемых почвах (Ркр) с учетом концентрации корней в профиле почвы, позволяет выделять слои с активным водообменом. При такого рода расчетах следует учитывать различия в распределениях Ркр по профилю авто- и гидроморф-ных почв, а также изменения Ркр в течение вегетационного сезона с изменением концентрации корней в слоях почвы.

Б. Поливариантные прогнозные расчеты водного режима показали высокую чувствительность статистических критериев агрофизической оценки водно-воздушного режима, особенно с использованием критических величин давления влаги в . годы средней и низкой обеспеченности.

6. На основе количественных вероятностных параметров предложена методика и разработан алгоритм прогнозной агрофизической оценки почв по ее водно-воздушному режиму. Экспериментальным обеспечением для оценки служат кривые ОГХ, коэффициент фильтрации, плотность почвы, пороэность обпщя, НВ и ВЗ. Исследования показали, что наиболее благоприятными агрофизическими свойствами

обладают черноземы типичные Воронежской обл. (индекс оптимальности режима, ИОР равен 0.96) и черноземы южные Оренбургской обл. (ИОР, равен 0. 94) и а для черноземов южных Одесской обл. ИОР составил 0.77.

По материалам диссертации опубликованы следующие работы:

1. Агрофизическая количественная оценка водного режима черноземов при орошении. // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 17. Почвоведение. 1994, N1, в печати /с соавтором/.

2. Агрофизическая оценка почв на основе анализа прогнозного водного режима.// Почвоведение, в печати / с соавтором/.

3. Лабораторный метод определения давления барботирования //Современные физические и химические методы исследования почв. М: Изд-во Моск. ун-та. 1993. /с соавторами/.

4. Полевые и лабораторные методы исследования параметров переноса воды и веществ в почвах//Тезисы докладов конференции стран содружества "Физика почвы и проблемы экологии". Пущи-но, 1992,с. 121. /с соавторами/.

5. Принципы и методы мониторинга физических свойств почв.//Вестн. Мэск. Ун-та. Сер. 17. Почвоведение. 1990, N4, с. 40-48 /с соавторами/.

6. Экспериментальное обеспечение математических моделей вла-гопереноса // Тезисы докладов третьей научной конференции "Применение математических методов и ЭВМ в почвоведении, агрохимии и' земледелии". Барнаул, 1992, с. 25. /с соавторами/.