Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему

Пространственная вариабельность физических свойств и водного режима чернозема типичного

ВАК РФ 06.01.03, Агропочвоведение и агрофизика

Автореферат диссертации по теме "Пространственная вариабельность физических свойств и водного режима чернозема типичного"

РГБ ОД

- 2 ОПТ 1535

на правах рукописи УДК 631.43

САЛИМГАРЕЕВА ОЛЬГА АЛЕКСЕЕВНА

ПРОСТРАНСТВЕННАЯ ВАРИАБЕЛЬНОСТЬ ФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ И ВОДНОГО РЕЖИМА ЧЕРНОЗЕМА

ТИПИЧНОГО

Специальность 06.01.03 - агропочвоведенне и агрофизика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Москва, 1995

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

Научные руководители: доктор биологических наук,

профессор Е.В. Шеин

доктор биологических наук, академик РАСХН

A.П. Щербаков

Официальные оппоненты: доктор сельскохозяйственных наук

П.М. Сапожников кандидат биологических наук

B.П. Самсонова

Ведущее учреждение: Институт Почвоведения и Фотосинтеза РАН, г. Пушино

Защита состоится "2^2" 1995 г. в 15 час. 30 мин. в

/

аудитории М-2 на заседании диссертационного совета К 053.05.16. МГУ им. М.В. Ломоносова.

Адрес: 119899, Москва, ГСП, Ленинские горы, МГУ, факультет Почвоведения, Ученый Совет.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке факультета Почвоведения МГУ.

Автореферат разослан " 1995 г.

Ученый секретарь диссертационного Совета

Г.В. Мотузова

Актуальность темы. Генерализованной оценки почв (по средним или смешанным образцам) нередко бывает недостаточно, поэтому в последнее время все большее внимание уделяется оценке пространственной вариабельности свойств почв. Это наиболее важно при оценке условий притока/оттока влаги и веществ, которые начинаются и развиваются, как правило, "очагово" и связаны прежде всего с крайними величинами в рассматриваемой совокупности почвенных свойств. Кроме того, практически не исследованы вопросы, связанные с пространственной вариабельностью динамичных почвенных свойств, т.е. с оценкой вариабельности почвенных режимов.

Цель работы. Изучение и оценка пространственной вариабельности физических свойств и водного режима на примере чернозема типичного в масштабах части сельскохозяйственного поля.

Задачи исследования.

I. Оценка пространственного варьирования некоторых физических свойств чернозема типичного в пределах одного поля.

2. Оценка пространственного варьирования водного режима чернозема типичного в течение вегетационного периода.

3. Исследование взаимосвязей оценочных характеристик режима с параметрами режимообразующих факторов и свойств черноземов.

4. Изучение влияния почвенно-физических свойств на формирование периодов недостатка, избытка влаги (агрофизический аспект) и глубинного оттока (экологический).

Научная новизна. Обоснованы параметры количественной оценки пространственной вариабельности водного режима в пределах сельскохозяйственного поля. Показано, что наибольший вклад в пространственное распределение водного режима верхней 40-см толщи чернозема типичного вносят осадки, испарение, начальные запасы влаги, а более глубоких слоев - начальные условия, плотность и содержание физической глины. Среди почвенных свойств на глубинный отток влаги в наибольшей степени влияют плотность почпы, коэффициент фильтрации (или впитывания), фактор дисперсности по Качинскому и глубина вскипания от HCl.

.. Распределение осадков и поливной во-

ды по площади в наибольшей степени определяют равномерное по площади обеспечение влагой сельскохозяйственных растений в исследованных условиях. Выявлено, что среди физических свойств распределение плотности почвы - основной фактор, определяющий формирование периодов недостатка и избытка влаги в почве, а фактор дисперсности по Каминскому, плотность почвы и глубина вскипания наиболее важны для выявления участков с наибольшей вероятностью глубинного оттока влаги. Это позволяет практически рекомендовать изучение пространственного распределения указанных свойств в масштабах поля для выявления участков с возможными неблагоприятными эколого-агрофизическими характеристиками водного режима.

ле-конференции молодых ученых "Экологические проблемы в почвоведении и земледелии" (г.Курск, 1991), на конференции стран содружества "Физика почв и проблемы экологии" (Пущино, 1992), на научной конференции "Применение математических методов и ЭВМ в почвоведении, агрохимии н земледелии" (Барнаул, 1992), на заседании кафедры физики и мелиорации почв факультета почвоведения МГУ (апрель, 1995).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 работ, 3 в

Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена

ХАРАКТЕРИСТИКА ОБЪЕКТОВ И МЕТОДОВ ИССЛЕДОВАНИЯ

Результаты работы доложены на Всесоюзной шко-

лен ати.

на страницах, включает таблиц и рисунков; состоит из введения, 5 глав, выводов, списка литературы наименований и приложения.

Исследования проводились в Хохольском районе Воронежской обл. на территории совхоза "Дон". Объект исследования расположен

на четвертой террасе р. Дон. Поверхность изучаемой территории представляет собой слабоволнистую равнину. Почвообразующие породы - лессовидные суглинки. Грунтовые воды, по данным бурения, находятся на глубине 15 м. Исследования проводились на неорошаемом поле, под черным паром. Почва - чернозем типичный, мощный, тяжелосуглинистый, крупнопылевато-иловатый. Участок исследования имел ровную поверхность, относительные превышения которой колебались от 0 до 98 см.

ность почвы - буровым методом, коэффициент впитывания (Квп) -методом трубок, ежедневно давление влаги (Р) - тензиометрами, влажность (\У) - термостатно-весовым методом и нейтронным влагомером, нснарснне - микроиспарнтелямн н испарителями Рыкачева, регулярно регистрировались осадки. В лабораторных условиях: гранулометрический н микроагрегатный составы - пнрофосфатным методом, агрегатный состав по Саввинову (Вадюнина, Корчагина, 1986), коэффициент фильтрации (Кф) - методом Хануса (Зайдельман, 1981), основную гидрофизическую характеристику (ОГХ) тензиостатичес-ким методом в области рр от 0 до 2.7 (Щербаков и др., 1990) и равновесием над насыщенными растворами солей КгЭО^ КС1 и УС1 (рР=4.45, 5.32 н 5.92). Объем образцов ненарушенного сложения для большинства определений (плотность почвы, ОГХ, Кф, влажность почвы н др.) составлял около 100 см3.

В соответствии с широко распространенной в настоящее время практикой судить о свойствах и режимах почвы поля в целом по одной характерной точке, в которой и проводятся стационарно-режимные наблюдения, экспертно была выбрана такая точка и проведен для нее комплекс исследования физических и гидрофизических свойств, а также проводились наблюдения за динамикой давления почвенной влага и влажности во время полевого сезона 1990 го-

.. В полевых условиях определяли плот-

Табл. 1

Некоторые физические свойства исследуемых черноземов и их статистики

точка. плот- содерж. содерж. Кд по ^Кф, logKBii, HB.

статистики ность агрон. физич. Качин- см/ сут см/сут % к

почвы, г/см3 агрег., % глины, % скому, % об.

в слое 5-10см

опорн. т. 0.98 31.0 64.6 39.4 3.05 3.01 35.6

среднее 1.09 49.9 65.6 28.3 1.93 2.60 37.8

min 0.82 30.4 59.2 7.7 0.22 0.39 32.1

max 1.29 78.3 70.9 55.9 3.07 4.43 46.5

стд.откл. 0.13 12.3 3.0 14.6 0.97 0.75 3.4

Cv,% 12.2 24.6 4.6 51.6 50.3 28.9 9.0

в слое 10-20 см

опорн. т. 1.17 39.7 68.7 42.2 2.15 2.69 45.2

среднее 1.16 42.8 65.4 28.9 1.82 2.18 38.4

min 0.94 18.2 49.8 8.7 0.64 0.52 27.2

max 1.30 60.8 71.0 53.9 3.05 3.55 45.2

стд.откл. 0.10 П.О 4.6 14.7 0.86 0.70 4.3

Cv. % 8.7 25.8 7.0 51.0 47.4 32.0 11.2

в слое 30-40 см

опорн. т. 1.07 77.7 52.3 48.4 2.97 2.97 30.6

среднее 1.10 70.7 63.5 28.9 2.32 2.73 35.0

min 1.00 39.5 52.3 5.8 1.05 1.86 30.6

max 1.18 92.4 74.7 80.5 3.11 3.20 38.4

стд.откл. 0.041 0.14 5.7 18.7 0.57 0.3! 2.0

Cv. % 3.7 20.1 9.0 64.7 24.3 11.3 5.6

в слое 70-80 см

опорн. т. 1.13 56.0 67.7 72.6 2.85 2.84 29.6

среднее 1.21 61.9 65.2 44.2 2.24 2.76 33.9

min 1.11 30.4 56.0 11.0 1.04 1.74 29.6

max 1.33 81.3 73.6 75.1 3.08 3.33 38.4

стд.откл. 0.067 0.14 3.8 22.2 0.74 0.35 2.2

Cv. % 5.6 22.4 5.8 50.2 33! 12.8 6.5

где опорн. т. • опорная точка, min, шях - наименьшее, наибольшее .значения.

стд.откл. - стандартное отклонение. Cv - коэффициент вариации

да. Для того чтобы оценить пространственную вариабельность свойств почвы и режимов в пределах одного поля, было выделено 20 точек опробования, где проводились те же исследования, что н на опорной точке. В отличии от опорной точки, где почва изучалась до глубины 160 см, для остальных 20-ти исследования проводились в слое 0-80 см по глубинам 0-10, 10-20, 30-40 и 60-80 см. Физические свойства изучаемой почвы представлены в табл. 1.

ПРОСТРАНСТВЕННАЯ ВАРИАБЕЛЬНОСТЬ ФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ЧЕРНОЗЕМА ТИПИЧНОГО

Несмотря на небольшую площадь исследуемой территории величиной всего в 2.25 га, глубина вскипания от HCl (рис. 1а) колеблется в широких пределах - от 28 до 85 см и ниже (в ряде точек не вскрыта), что является косвенным подтверждением высокой вариабельности водного режима исследуемой территории. Результаты исследования некоторых физических свойств по площади представлены в табл. 1. Вариабельность плотности почвы, 1одКф, logKen верхнего слоя 0-10 см максимальна, до глубины 40 см происходит закономерное уменьшение вариабельности перечисленных физических свойств, а далее в слое 70-80 см наблюдается снова незначительное увеличение коэффициентов вариации (Cv), что, очевидно, связано с генетической неоднородностью этого слоя по территории. Физические свойства чернозема типичного под черным паром имеют высокую пространственную вариабельность, максимальную для фактора дисперсности по Качинскому и коэффициента фильтрации (Cv до 65% и 50% соответственно). Средние значения свойств заметно отличаются от таковых для экспортно выбранной "характерной" (опорной) точки наблюдения.

б

мо

' 2-V7- iili-'

-255

2«- рж?1щщ>28S

Ibic.l. l'iuiipimc iiimc по площади опыт «ого учшпка a)i;iyCmnu нскушниия irr HCl (см), 0) ivit.iK.oii (мм), п) началы Ii J v aiaixiaajiacob н слое 0-S0cm (cm iio.ui.c.i.);* -onopll:i4 ! '"к:! ■•-•..

ПРОСТРАНСТВЕННАЯ ВАРИАБЕЛЬНОСТЬ ВОДНОГО РЕЖИМА ЧЕРНОЗЕМА ТИПИЧНОГО

Наряду с внутрипочвенными процессами, управляющее действие на перенос и аккумуляцию воды в расчетном слое, оказывают потоки влаги, проходящие через границы этого слоя. В качестве верхней границы расчетного слоя обычно принимают поверхность почвы. Условия на верхней границе количественно характеризовались измерениями испарения с поверхности почвы и количества осадков за период режимных наблюдений. В качестве начальных условий мы рассматривали: для режима объемной влажности - запасы влаги в слое 0-10, 0-20, 60-80 , 0-80 см в первый день измерений, для режима давления почвенной влаги - начальные pF слоя 5-10, 15-20, 35-40, и pF, усредненный для слоя 0-80 см. На рис. 1б-в и рис. 2а-б приводятся топоизоплеты для рассматриваемых характеристик граничных, начальных условий. Нужно отметить неравномерность пространственного и временного распределения осадков: 2/3 суммы общего количества осадков за месяц выпало в течение двух дней с ливневыми грозовыми дождями. Количество осадков по территории за эти 2 дня колебалось от 36.3 мм до 50.4 мм.

При оценке водного режима исследуемых черноземов в величинах влажности почвы и давления почвенной влаги, применялся метод использования вероятностных параметров с учетом количественных критериев оптимальности, обоснованный в работах Е.В. Шеина и C.B. Махновецкой (1994, 1995). Этот подход предполагает расчет вероятности появления периодов недостатка влаги и переувлажнения по граничным (критическим) значениям диапазона оптимальности. Статистическую оценку водного режима основывали на расчете вероятности появления определенных критических величин и проводили с использованием пакета программ NCSS. При этом анализировали показатели влажности и давления почвенной влаги с равномерным шагом во времени ( 1 сут) на глубинах 10, 20, 40, 80 см. Режим

м о

150

О

в)

150 M

i. "J ' " О-1'.

0.2-4- о.л- '«■да

ОЛЗ VutMltH «•12

>0.42

Рис. 2 Распределение no li.ionia'iii oiiijhioixí участка а> начальных pF в слое 5-10 см, 0>мач;п1.1ШХ рГвслос ») нфояннчтп пояи темня периодов

I Ht II.г !l 1 Нем ÍрЬ - 1S|

недоегл очного упражнения i

влажности оценивали с использованием таких критических величин, как влажность, равная 70% НВ (указывающая на недостаток влаги) и влажность, равная НВ, превышение которой указывает на возможное избыточное увлажнение. Для каждой точки опробования по полученным в лаборатории ОГХ послойно определяли величины НВ (Воронин, 1986), статистические характеристики которых представлены в табл. 1. Полученные НВ не обнаружили значимых различий с НВ, определенными в поле для соответствующих глубин опорной точки. НВ исследованных черноземов колеблются в широких пределах от 27.2% до 46.5%. Как и основные физические свойства, НВ обладает большей вариабельностью в поверхностных слоях (Су=9-11%), а ниже по профилю наблюдается некоторое уменьшение изменчивости (Су=5-6%). При оценке водного режима черноземов в единицах давления влаги в качестве критериев оптимальности использовали "критическое" давление почвенной влаги (Ркр) равное -300 см водн.ст. (рР=2.5) и давление барботирования (Рб), близкое к -30 см водн.ст. (при рр=1.5). При давлении, меньшем Ркр, в почве наблюдается недостаток влаги для многих видов травянистых растений (Судницын, 1979, 1990), при давлении большем -30 см водн.ст. -недостаток воздуха, лимитирующий развитие растений (Судницын и др., 1988).

Таким образом, мы располагали массивом величин влажности и давления, полученных ежедневно в течение 32 суток. Для каждой глубины и для слоя 0-80 см в целом, оперируя с этим массивом как с выборочной совокупностью дат , обладающей свойственной ей кривой плотности вероятности, рассчитывали вероятности появления периодов недостатка влаги (ВН) и переувлажнения (ВП) как основных количественных характеристик водного режима. На рис. 4а-в для режима влажности приведены топоизоплеты ВН, ВП, усредненных в слое 0-80см, и ВП в слое 0-10см, на рис. 2в, За-в - топоизоплеты ВН, ВП режима давления почвенной влаги на глубинах 0-10см и 40-80 см.

0.084 - i'l l'l IIIIII 0.122- >0.160

o.i;2 0.160

1?о по м

>0 4W> I

Рис.Л Распределение по площади опытною участка а) нероишоеш иояпления периодои ucpcviviasKiiciiiiH <pF<1.5) и слое II- Kúm, G) юмишосш помпсиия периочои'иелоетнмчиот мпажитшт (pFN2.'lX> и слое 40 SOcv. к) пером шости пояк'.сш'и иерио.чон псреуилажпсиин (рГ< 1л> н слое 40 Sit ем

Режиму влажности во время исследований более свойственны были периоды с переувлажнением. При этом водный режим в опорной точке не характеризовал исследуемую территорию, относясь в целом к более влажному режиму (рис. 4а,б). ВН режима влажности на большей части территории была <0.01, хотя имелись участки с повышенной ВН. Именно на таких участках с высокой ВН возможно снижение роста и развития сельскохозяйственных культур, вследствие недостатка влаги. На участках территории с высокой ВП имеется повышенная вероятность выпадения сельскохозяйственных культур из-за избытка влаги.

Следует также отметить высокую пространственную вариабельность количественных характеристик водного режима чернозема: для режима влажности вероятность появления периодов переувлажнения колебалась от 0.01 до 0.51, а периодов недостатка влаги от 0 до 0.16, при их коэффициентах вариации 66% и 64%, соответственно. Для режима давления почвенной влаги коэффициенты вариации ВН и ВП составили 34% и 55%, соответственно. Таким образом с помощью вероятностных оценок появления переувлажнения и недостатка влаги можно количественно характеризовать водный режим поля.

Сравнивая топоизоплеты ВП и ВН режима влажности(рис. 4а-в) с топоизоплетами начальных (рис. 1в) и граничных (рис. 16) условий, основных физических свойств чернозема можно отметить следующие закономерности на качественном уровне: топоизоплеты ВП для режима влажности в слое 0-10 см и 0-80 см соответствуют распределениям по площади осадков; в слое 0-80 см также отмечается их некоторое сходство с топоизоплетами начальных запасов влаги для толщи 0-80 см. Так как в нижней части профиля влажность более стабильна, переувлажнение, в этом случае, будет определяться во многом величиной начальных запасов влаги слоя 0-80 см. Соответствующие рисунки изолиний ВН оказались менее информативными, очевидно, из-за отсутствия засухи за период исследований и низких значений этих характеристик.

о.и- VHVI'IV. M

ivíí -0.16 1

Рис 4 Распределение по шоивди oiti.rniom участка a) wposniiocni появления периодов пелось i о1 п loi о уичажш'имя к с юе (W< 0.7ÎIIJ) 0-80 см, б) иерояпюсти иос.мпшя перио.юв персуплажнспии (W>Hli) в слое 0-80 см, в) вероятности пояяи-ния периодов персуатажпсния (W>1 11!) в c.ine 0 10 см.

В случае режима давления почвенной влаги (рис. 2в, рис. За-в) также прослеживается сходство для верхних слоев топоизоплет количественных характеристик режима с осадками (рис. 16) и испарением; для нижнего горизонта - с начальными рр слоев 5-10 см и 3540 см (рис. 2а,б). Распределение по площади начальных рр слоя 5-10 см также соответствует топоизоплетам ВН и обнаруживает обратную связь с топоизоплетами ВП поверхностных слоев. Это указывает па определяющее влияние начальной неоднородности почвы по величинам давления почвенной влаги на формирование пространственной вариабельности возникновения периодов неблагоприятных для жизнедеятельности растений, оцененных с точки зрения критических величин давления.

Для других изоплет почвенных свойств (послойные плотности почвы, содержание агрономически ценных агрегатов, содержание физической глины, фактор дисперсности по Качинскому - Кд, к^Кф, 1о|;Квп, ОГХ в виде параметров её аппроксимации логит-функцией: У=Ы/(1+(х/ЬЗ)ь2 (Пачепский, 1992), относительное превышение, нижняя граница А1) заметное визуальное соответствие топоизоплетам количественных характеристик водного режима обнаружить не удалось.

Так как и порядковые и количественные признаки могут рассматриваться как качественные, мы попытались выявить наличие соответствия между вероятностными характеристиками водного режима и свойствами почвы, начальными, граничными условиями с помощью таблиц сопряженности, разбивая при этом условно значения от минимального до максимального на 4 интервала. Достоверность связи оценивалась с помощью критерия х2- Как для режима Р , так и № выявлена достоверная связь ВН, ВП с осадками, начальными рр и запасами влаги при уровне доверительней вероятности >0.90 и >0.80, соответственно.

Таким образом, качественный анализ распределении по площади рассматриваемого опытного участка показателей избытка и нело-

Табл.2

Зависимость вероятности появления периодов недостаточного ("№< 0.7НВ) и избыточного (Ш>НВ) увлажнения от некоторых свойств по результатам регрессионного и корреляционного

анализов

слой, см анализ свойства, оказывающие определяющее влияние

для вероятности появления периодов недостаточного увлажнения

0-10 регрес. ЗВ0-20, ЗВ0-80, ЗВ60-80, Ы, 1ойКвп, Пл, Ь2, Ос, Ь 0.65

коррел. г

0-20 рсгрес. ЗВ60-80, ЗВ0-20, ЗВ0-80, Ы, Пл, Ос, ЬЗ 0.62

коррел. г Ы -0.44

40-80 регрес. Сод.ф.гл., Исп, В360-80, Пл, Ь, ЬЗ, Сод.а\а,1о£Кф 0.82

коррел. г Сод.ф гл. Ь2 Л 0.49 0.32 - 0.32

0-80 регрес. Ы, ЗВ60-80, Пл 0.62

коррел. г Ы - 0.59

для вероятности появления периодов избыточного увлажнения

0-10 регрес. Ос, к^Кф, Ы, Сод.а\а, ЬеКвп, Ь, ЗВО-20, ЬЗ, Исп 0.82

коррел. г ЗВО-Ю Ос - 0.49 0.49

0-20 регрес. ЬЗ, 1о^Кф, Ос, Ь2, гл. А1, Ь, ЗВ60-80.1о£Квп, Ы 0.93

коррел. г ЬЗ Исп Пл Ос Сод.а\а - 0.58 0.36 - 0.35 0.32 - 0.31

40-80 регрес. Ы, ЗВО-Ю, ЬЗ.Ос, ЗВ0-80, ЬгКвп, Сод.ф.гл. 0.80

коррел. т ЗВО-ЗО ЗВО-Ю ЗВ60-80 Ы 0.52 0.49 0.47 - 0.45

0-80 регрес. Ь2, ЗВО-Ю, ЗВ0-80, ЗВ0-20, ЗВ60-80, Сод.ф.гл, глА1, Ос, Сод.а\а 0.62

коррел. г ЗВ0-80 ЗВ60-80 ЗВО-Ю 0.43 0.41 0.39

Ос осадки, Йсп -испарение, ЗВ0-10 начальные запгсы влаги соответствующего слоя почвы, Пл - плотность почвы, Сод.а\а - содержание агрономическиценных агрегатов, Сод.ф.гл. - содержание физической глины, 1о£Кф, 1о§Квп - ло1-арифмы коэффициента фильтрации, впитывания, Ы, Ь2, ЬЗ - параметры ОГХ, Ь - относительное повышение, гл.А! - глубина горизонта А1 исследуемых черноземов, г - коэффициент корт>еляцни,Н - множественный коэффициент корреляции

статка влаги в сравнении с распределениями начальных, граничных условий и основных свойств показал, что определяющее влияние на формирование пространственной вариабельности водного режима оказывают распределение граничных и начальных условий.

Корреляционный анализ использовался для того, чтобы получить общее представление о наличии и степени тесноты связи между количественными оценками водного режима и некоторыми физическими свойствами чернозема, а также осадками, испарением, характеристиками начальных условий, относительным превышением, глубиной горизонта А1 исследуемых черноземов. Определение количественной зависимости между величинами характеристик с помощью пошагового регрессионного анализа являлось следующим этапом исследований. При регрессионном анализе в качестве зависимых переменных рассматривались ВН и ВП. Результаты регрессионного и корреляционного анализов представлены в таблице 2. В случае пошагового регрессионного анализа независимые переменные расположены в порядке убывания их значения для предсказания независимой переменой. Среди свойств, оказывающих определяющее влияние в верхних слоях на ВН и ВП режима влажности выделяются в первую очередь начальные запасы влаги, а также осадки. Хотя условия на верхней границе обнаруживают значимую корреляцию лишь с ВП верхних слоев, при пошаговом регрессионном анализе осадки учитываются во всех случаях. В нижних слоях количественные характеристики режима влажности связаны, также, в первую очередь, с начальными запасами влаги, корреляция которых с ВП в слое 40-80 см оказалась положительной и наиболее высокой в рассматриваемом массиве (г от 0.52 до 0.47). Из физических свойств, оказывающих определяющее влияние на ВП и ВН режима влажности нижней толщи, выделяются содержание физической глины и параметры ОГХ. Корреляция между ВН слоя 40-80 см и содержанием физической глины оказалась положительной.

Табл.3 Зависимость ВН (рр>2.48) и ВП (рр<1.5) от некоторых свойств по результатам

регрессионного и корреляционного анализов

слой, см анализ свойства, оказывающие определяющее влияние К*

для вероятности появления периодов недостаточного увлажнения (рР>2.48)

0-10 регрес. Исп, Сод.а\а, рИб-Ю, Ь^Кф, Ы, Пл, Ос 0.93

коррел. г Сод.а\а рР5-10 Ос Исп Ы Ъ2 1одКф - 0.68 0.68 - 0.65 - 0.64 - 0.52 -0.36 -0.33

0-20 регрес. Исп,рР5-10, рр 15-20, Сод.а\а,1о£гКф, Пл, рР0-80, Сод.ф.гл, Ы, ЬЗ, Ос,глА1 0.99

коррел. г рр5-10 Ос Исп Ы рР0-80 Сод.а\а рр 15-20 к 0.76 - 0.62 - 0.60 - 0.49 0.47 - 0.42 0.34 0.30

40-80 регрес. Сод.а\а, Исп, рР5-Ю, рР35-40, ЬЗ, Ос, Сод.ф.гл,гл.А1 0.85

коррел. г рР35-40 рР0-80 Пл рР5-10 А 0.73 0.66 - 0.64 0.40 0.32

0-80 регрес. Исп,рР5-10, ЬЗ, Сод. а\а, рР35-40, И, рР15-20, 1о^Кф, Ы 0.98

коррел. г рР5-Ю рР0-80 рР35-40 Исп Пл Ос рР15-20 к Ы 0.73 0.65 0.55 -0.57 -0.48 -0.38 0.37 0.37 -0.34

для вероятности появления периодов переувлажнения (рИ< 1.5)

0-10 регрес. Исп, 1оегКф, ЬЗ, Ь2, Сод.а\а, рР5-10 0.72

коррел. г Исп Сод.а\а Ос 1о§Кф 1о^Квп рР5-Ю 0.53 0.51 0.43 0.42 0.38 - 0.35

0 -20 регрес. ЬЗ, Ы, гл.А1, рР5-10, Исп, рР15-20, рР0-80, 1орКф,Сод.ф.гл., Ь, рР35-40,Сод.а\а, Ос 0.96

коррел. г Исп Ос Сод.а\а Пл Л рР5-10 0.52 0.50 0.39 0.34 - 0.34 - 0.32

40 -80 регрес. Сод. ф. гл., 1о£Квп, И, рР35-40, Ь^Кф, ЬЗ. 0.81

коррел. г рР35-40 рР0-80 Пл Сод.ф.гл. 1о@Квп Л -0.61 - 0.50 0.49 - 0.44 - 0.39 - 0.38

0 -80 регрес. Исп, 1окКвп, 1обГ КФ, Ы, Сод. а\а, Ь, рР35-40, рР5-10, гл.А1, Пл. Сод. ф. гл., рР15-20 0.92

коррел. г рр35-40 рР0-80 Сод.ф.гл Л Пл /о£Кф - 0.59 - 0.50 - 0.50 - 0.43 0.35 0.32

рРМО, рр 15-20, рР'35-40 и рР0-80 - начальный рр соответствующего слоя почвы и усредненный в слое 0-80см

Для режима давления почвенной влаги (табл. 3) в верхних слоях почвы превалирующее влияние как на ВН, так и на ВП оказывают осадки, испарение и начальные рр слоя 5-10 см. Также из физических свойств верхней толщи содержание агрономически ценных агрегатов и Кф для слоя 0-10 см обнаруживают значимую корреляцию, положительную с ВП и отрицательную с ВН. В нижних слоях большее влияние на ВН и ВП оказывают начальные рр не только слоя 5-10 см , но и рр на глубине 35-40 см, с увеличением которых возрастает вероятность недостатка влаги и уменьшается вероятность переувлажнения. Относительное превышение здесь также начинает играть свою роль в формировании ВН и ВП. Знак коэффициента корреляции указывает на то, что чем ниже расположена точка опробования на местности относительно остальных, тем меньше будет вероятность недостатка влаги по сравнению с другими точками. Корреляция между плотностью почвы на глубине 40-80 см и количественными характеристиками режима давления почвенной влаги оказалась сравнительно высокой, положительной с ВП и отрицательной с ВН.

Таким образом, рассмотрев результаты корреляционного и пошагового регрессионного анализов, можно сделать вывод, что наибольший вклад в изменчивость ВН и ВП верхних слоев вносят: осадки, испарение, а также начальные запасы влаги (для режима влажности) или начальные рр (для режима давления почвенной влаги). При рассмотрении влияния физических свойств на режимы давления влаги и влажности однозначной картины не наблюдается.

СВЯЗЬ КОЛИЧЕСТВЕННЫХ ЭКОЛОГО-АГРОФИЗИЧЕСКИХ

ПАРАМЕТРОВ ВОДНОГО РЕЖИМА С ПОЧВЕННО-ФИЗИЧЕСКИМИ СВОЙСТВАМИ ПРИ СТАНДАРТИЗОВАННЫХ НАЧАЛЬНЫХ И ГРАНИЧНЫХ УСЛОВИЯХ

С целью оцеьки пространственного варьирования водного режима, обусловленного только свойствами почв, была осуществлена попытка его предсказания при стандартизации начальных и граничных условий с помощью прогнозной модели. По программе прогнозного поливариантного расчета водного режима ч "М018Т", разработанной ИПФС РАН (Щербаков и др., 1981), были рассчитаны режимы давления почвенной влаги и влажности чернозема типичного под черным паром для всех точек участка исследования с экспериментально определенными ОГХ и рассчитанными из ОГХ функциями влагопроводности (Пачепский, 1992). Экспериментальным обеспечением модели служили также плотность почвы, коэффициент фильтрации, гранулометрический состав каждого из слоев всех точек исследования.

Начальными условиями для прогноза являлось распределение влажности по профилю, равное НВ с присущими для каждой точки значениями. Условия на верхней границе: в течение 12-ти суток с верхней границы испарилось количество воды, соответствующее диапазону НВ-70%НВ опорной точки, затем задавался Полив в течение суток, равный указанному диапазону, и испарение - в течение последующих 12-ти суток до запасов, равных 70%НВ в толще 0-80 см опорной точки. Условия на нижней границе соответствовали изученным черноземам (градиент давления равен 1). Таким образом, формировался водный режим почвы при стандартных начальных и граничных условиях, индивидуальный для каждой точки опробования. Были получены величины глубинного оттока для каждой точки исследуемой терри-

тории, в нашем случае - оттока почвенной влаги за пределы изучаемой 80-см толщи, как наиболее важного параметра в экологическом аспекте водного режима почв.

Статистический анализ режима проводился по использованной ранее методике. Для всех точек участка были получены количественные вероятностные характеристики режима влажности, а также величины глубинного оттока. Топоизоплеты глубинного оттока изображены на рис. 5.

Рис. 5. Распределение по площади опытного участка величины

глубинного оттока (мм).

Несмотря на низкие значения показателя возможного переувлажнения, по результатам прогноза, во всех точках исследуемой территории отмечается переток почвенной влаги за пределы 80-см толщн.Его значения по площади колеблются от 3.5 до 5.2 мм, а среднее значение составляет 4.2мм. Следует отметить, что топоизоплеты глубинного оттока обнаруживают качественное сходство с изолиниями по площади глубины вскипания от НС1 (рис. 1а).

Анализ таблиц сопряженности подтверждает достоверность связи на качественном уровне БН, ВП, глубинного оттока с плотностью почвы, глубиной вскипания от НС1 и параметрами ОГХ.

Определение количественной зависимости между величинами ВП, ВИ, глубинного оттока и основными физическими свойствами почвы с помощью корреляционного и пошагового регрессионного анализа являлось следующим этапом исследований (табл. 4). Среди свойств, оказывающих наибольшее влияние на глубинный отток, ВН и ВП прогнозного режима влажности выделяются в первую очередь плотность почвы и Кф (либо Квп). Плотность почвы обнаруживает значимую корреляцию в большинстве случаев : положительную с ВП, а с ВН и глубинным оттоком - отрицательную. Фильтрационные способности почвы играют большую роль в формировании глубинного оттока, ВН и ВП. Логарифмы Кф либо Квп верхних слоев имеют значимую положительную корреляцию с глубинным оттоком, ВН. В нижних слоях вероятность переувлажнения связана, также с Кф и Квп, корреляция логарифмов которых с ВП в слое 40-80 см оказалась значимой. Фактор дисперсности по Качинскому (Кд) в нижних слоях почвы оказывает влияние на ВН (г=-0.42) : с повышением Кд, уменьшением водоустойчивости микроагрегатов снижается вероятность недостаточного увлажнения в слое 40-80 см.Фактор дисперсности верхних и нижних слоев почвы также обнаруживает значимую отрицательную корреляцию с величинами глубинного оттока по площади. С уменьшением Кд, повышением способности почвы к агрегированию возрастает глубинный отток.

Таким образом, знание закономерностей распределения физических свойств почв по площади позволяет прогнозиробать появление неблагоприятных периодов как с агрофизической (ВП и

Табл.4

Зависимость ВН, ВП и величины глубинного оттока в условиях прогнозного водного режима от некоторых свойств по результа-

там регрессионного и корреляционного анализов

слои, см анализ свойства, оказывающие определяющее влияние

для ВН ( вероятности появления периодов недостаточного увлажнения, \У<0.7НВ)

0-10 рсгрес. 11л,Сод. а\а, Кд 0.77

коррел. г Пл /о£Кф Ы - 0.84 0.41 0.37

0-20 регрес. ПЛ,!О£КВП ~0.47

коррел. г Пл ЬЗ Ы 1оёКвп Ь2 - 0.66 - 0.58 0.41 0.38 - 0.35

40-80 регрес. Кд.Пл 0.22

коррел. г Ь2. ЬЗ Кд Пл •-0.45 -0.44 - 0.41 -0.32

0-80 регрес. Пл, 1о^Квп, Сод.ф.гл. 0.58

коррел. г Пл ЬЗ 1о£Квп Ы Сод.ф.гл - 0.68 - 0.49 0.43 0.41 - 0.33

для ВП (вероятности появления переувлажненных периодов, \У>НВ )

0-10 регрес. Пл ОогКвп, 1окКф, Пл, Кд, Сод.ф.гл) 0.19 (0.50)

коррел. г Пл 0.44

0-20 регрес. Пл 0.07

коррел. г Ь2 0.57

40-80 "0-80 " регрес. 1о^Кф,Сод. а\а 0.30

коррел. г регрес. 1о^Кф Ь2 1оёКвп - 0.51 0.43 - 0.32

Сод.а\а, Пл 0.1д

коррел. г Ь2 Сод. а\а 0.46 -0.35

для перетока влаги за пределы 80-см толщи

0-10 _регрес. Кд, 1оеКф,Пл 0.22

коррел. г Кд 1оцКф Пл - 0.36 0.35 - 0.32 ~037" "0.2Й 0.55 "

0-20 1080 " 0 80 рсгрес. коррел. г рсгрес. коррел. г рсгрсс. коррел. г Сод. а\а. Сод. ф. гл.Пл Сод. а\а Пл 1о(>Кф 0.42 - 0.33 ____0.31___ Кд, Сод. а\а. logKr.il Ы Кд ЬЗ _______0.42 -0.40 0.38 Кд, Сод я\а ЬЗ Кд "Сод. а\а Ы Пл - 0.43 - 0.37 0.34 0.31 - 0.30

ВН), так и с экологической (глубинный отток) точек зрения. Распределение плотности почвы - основной фактор, определяющий формирование периодов ВП и ВН, а содержание агрономически ценных агрегатов, фактор дисперсности по Качинскому. плотность почвы и глубина вскипания от НС1 - для выявления участков с наибольшей вероятностью глубинного оттока влаги. Это позволяет практически рекомендовать изучение пространственного распределения указанных свойств в масштабах поля для выявления участков с возможными неблагоприятными эко-лого-агрофизическими характеристиками водного режима.

ВЫВОДЫ

1. Физические свойства чернозема типичного под черным паром имеют высокую пространственную вариабельность в пределах сельскохозяйственного поля, максимальную для фактора дисперсности по Качинскому и коэффициента фильтрации (коэффициент вариации до 65% и 50%, соответственно). Средние значения свойств и характеристик режимов заметно отличаются от таковых для экспертно выбранной "характерной" точки наблюдения.

2. Количественное описание пространственной вариабельности водного режима возможно с помощью оценки вероятности появления периодов недостаточного (ВН) и избыточного увлажнения (ВП). Эти статистические оценки водного режима позволяют: (1) количественно характеризовать водный режим исследуемой площади, (2) выявлять зоны вероятной засухи и переувлажнения и (3) определять количественные взаимосвязи появления засушливых и переувлажненных зон, глубинного оттока влаги с режи-мообразующнми факторами и физическими свойствами почв.

Водный режим "характерной" точки значительно отличается от усредненного.

3. Сравнительный качественный анализ, а также статистические методы анализа (таблицы сопряженности, корреляционный и регрессионный анализы) закономерностей распределения ВН, ВП н начальных, граничных условий показали, что наибольший вклад в изменчивость ВН и ВП верхних слоев вносят - осадки, испарение, а также начальные запасы влаги (для режима влажности) или начальные рр (для режима давления почвенной влаги).

4. В глубинных слоях определяющее влияние на количественные характеристики режима давления почвенной влаги и режима влажности оказывают начальные рЕ и начальные запасы влаги соответственно, а также плотность почвы и содержание физической глины.

5. При стандартизированных начальных и граничных условиях среди свойств, оказывающих определяющее влияние на глубинный отток, ВН и ВП прогнозного режима влажности выделяются в первую очередь плотность почвы и Кф (либо Квп), а также фактор дисперсности по Качннскому и глубина вскипания от НС1.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Количественная оценка водно-воздушного режима почв.// Тезисы конференции молодых ученых и специалистов "Плодородие почв в интенсивном земледелии". Минск, 1991, с.43, ( с соавтором).

2. Основные параметры и подходы к эколого-агрофизической оценке водного режима черноземов. // Тезисы докладов Всесо-

юзной школы-конференции молодых ученых "Экологические проблемы в почвоведении и земледелии". Курск, январь 1991, с.67 (с соавтором).

3. 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).

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

5. О методиках определения удельной поверхности почв по адсорбции паров воды..// Почвоведение. 1993. N1.0. 33-44, (с соавторами).

6. Пространственная вариабельность физических свойств и водного режима чернозема типичного.// Почвоведение, в печати (с соавтором).

7. Пространственная вариабельность водного режима чернозема типичного.// Тезисы докладов II съезда Российского Общества почвоведов, 1996, в печати (с соавтором).

8. Оценка пространственной вариабельности физических свойств и водного режима чернозема типичного.// Тезисы докладов Всероссийской конференции "Микроклимат ландшафтов". Санкт-Петербург, 1995, в печати (с соавтором).