Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему

Пространственно-временная изменчивость водно-физических свойств и функций комплекса серых лесных почв в условиях интенсивного сельскохозяйственного использования

ВАК РФ 06.01.14, Агрофизика

Текст научной работыДиссертация по сельскому хозяйству, кандидата биологических наук, Бутылкина, Марина Александровна, Москва

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. М.В. ЛОМОНОСОВА

Факультет почвоведения

На правах рукописи

Бутылкииа Марина Александровна

Пространственно-временная изменчивость водно-физических свойств и функций комплекса серых лесных почв в условиях интенсивного сельскохозяйственного использования

Специальность 06.01.14 - агрофизика

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Научные руководители: доктор биологических наук, профессор Е.В. Шеин доктор биологических наук М.А. Мазиров

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.......................................................................................................................................................3

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ..........................................................................................................5

1.1. плотность почвы и ее агрофизическое значение........................................................................5

1.2. Пространственная вариабельность плотности и других физических свойств. Проблема

пространственной вариабельности. статистические подходы к оценке. классическая статистика и геостатистика...................................................................................................................9

1.3. связь структуры почвенного покрова с пространственной вариабельностью почвенных свойств и режимов.............................................................................................................16

1.4. проблема стабильности физических свойств и режимов.......................................................18

ГЛАВА 2. ОБЪЕКТ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ................................................................................21

2.1. Особенности Владимирского Ополья, как объекта со сложной структурой почвенного покрова.......................................................................................................................................................21

2.2. Характеристика участка исследования.....................................................................................24

2.3. Методы исследования.....................................................................................................................26

ГЛАВА 3. ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННАЯ ДИНАМИКА ПЛОТНОСТИ ПОЧВЫ.....................27

ГЛАВА 4. ПРОСТРАНСТВЕННАЯ ВАРИАБЕЛЬНОСТЬ ОСНОВНОЙ ГИДРОФИЗИЧЕСКОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ И ДРУГИХ ФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ................................................................52

ГЛАВА 5. ЗАКОНОМЕРНОСТИ ПРОСТРАНСТВЕННОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ ВОДНОГО РЕЖИМА....................................................................................................................................61

ГЛАВА 6. ЗАКОНОМЕРНОСТИ ПРОСТРАНСТВЕННОЙ СТРУКТУРЫ ВАРЬИРОВАНИЯ НЕКОТОРЫХ ФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ИССЛЕДУЕМОГО УЧАСТКА............................................64

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ.................................................................................................................................71

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ..............................................................................................................................72

ПРИЛОЖЕНИЕ..............................................................................................................................................83

ВВЕДЕНИЕ

Проблеме исследования пространственно-временной изменчивости почвенных свойств уделяется большое внимание в связи с глубоким изучением биосферной роли почвенного покрова и развитием адаптивно-ландшафтного земледелия. В основе современного точного и устойчивого земледелия лежит учет специфики пространственной структуры почвенных свойств и применение агромероприятий, соответствующих данному участку в данный момент времени. Почвенный покров Владимирского Ополья характеризуется значительной пестротой и неоднородностью. Варьирование физических свойств почв определяет формирование водного, воздушного, газового режимов, сроков обработки почв и, во многом, пространственную изменчивость урожая.

Цель данной работы: исследование пространственно-временной изменчивости основных физических свойств и функций комплекса серых лесных почв Владимирского Ополья. Задачи:

1. Изучение структуры почвенного покрова комплекса серых лесных почв Владимирского Ополья в масштабе части сельскохозяйственного поля.

2. Изучение пространственной изменчивости плотности, влажности, водопроницаемости и основной гидрофизической характеристики (ОГХ) почв в пределах 50-см толщи.

3. Исследование закономерностей динамики пространственной изменчивости плотности комплекса почв Владимирского Ополья.

4. Исследование закономерностей пространственного распределения оттока влаги из корнеобитаемой толщи почв.

5. Исследование закономерностей структуры варьирования плотности и влажности почвы в масштабе сельскохозяйственного поля.

Научная новизна. Впервые изучена пространственная изменчивость водно-физических свойств почв Владимирского Ополья и проанализированы причины ее

обуславливающие, обнаружены специфические особенности сезонной динамики плотности почв на различных глубинах корнеобитаемого слоя. Выявлены закономерности структуры варьирования плотности и влажности почв Владимирского Ополья с помощью методов геостатистики и показана структурообразующая роль серых лесных почв со 2-м гумусовым горизонтом в пространственной организации физических свойств почвенного покрова.

Практическая ценность. Рекомендуется учитывать неравномерность сроков созревания почвы для сельскохозяйственной обработки в условиях Владимирского Ополья. Наиболее вероятные потери веществ из корнеобитаемого слоя могут происходить на серых лесных почвах в пределах комплексного почвенного покрова Владимирского Ополья.

Апробация. Основные результаты работы были доложены на конференциях студентов и аспирантов «Ломоносов-97» (Москва, МГУ, 1997 г.), «Ломоносов-98» (Москва, МГУ, 1998 г.), на 1-ой Всероссийской конференции «Лизиметрические исследования почв» (Москва, МГУ, 1998 г.), на заседании кафедры физики и мелиорации почв факультета почвоведения МГУ (апрель, 1999 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 работ и 1- в печати.

Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 85 страницах, включает 19 таблиц и 38 рисунков; состоит из введения, 6 глав, выводов, списка литературы, включающего 123 наименований, и приложения.

Работа выполнена на кафедре физики и мелиорации почв факультета почвоведения МГУ. Полевые результаты получены в течение 1996-98 г.г. в составе Почвенно-физической экспедиции кафедры физики и мелиорации почв в Суздальском районе на опытных полях Владимирского НИИСХ.

Работа осуществлена при частичной финансовой поддержке РФФИ, проект № 98-04-48365.

Глава 1. Состояние проблемы

1.1. Плотность почвы и ее агрофизическое значение

Под плотностью почвы понимают отношение массы сухой почвы ненарушенного сложения к единице объема и рассчитывают по формуле

•з Л

где р - плотность почвы (г/см , кг/м ),

р - масса сухой почвы ненарушенного сложения в определенном объеме, V - объем почвы.

Плотность почвы - чрезвычайно важное почвенное свойство. От плотности почвы и связанной с ней порозностью во многом зависит водный, воздушный и солевой режимы почвы. Плотность влияет на сцепление почвенных частиц и трение почвы о металл. Плотность почвы оказывает большое влияние на прорастание семян (Воронин, 1986; Сапожников, Прохоров, 1992; и др.)

Плотность почвы к концу вегетационного периода при отсутствии обработок называется равновесной плотностью. Это предел самоуплотнения почвы под влиянием естественных факторов (Козин, 1989). Эта величина в некоторой степени определяет развитие корневых систем растений, водоудерживающие свойства почвы. Знание этой величины необходимо для оценки возможных просадок при стационарных и временных нагрузках (Дмитриев, Макаров, 1993). По мнению этих авторов равновесной плотностью следует называть плотность, устойчиво сохраняющуюся при неизменности условий, в которых находится почва. Они также вводят понятие "устойчиво равновесная плотность", под которой понимается неизменно восстанавливающаяся плотность, когда в своей изменчивости комплекс условий, в которых находится почва, оказывается одним и тем же. В.М. Сорочкин (1982) занимался изучением равновесной плотности различных по механическому составу дерново-подзолистых почв в связи с характером естественной растительности и при первичной обработке и установил, что величина равновесной плотности

определяется уровнем гумусосодержания в почвах с бездефицитным балансом органического вещества.

По мнению И.Б. Ревута и других (1971), равновесная плотность является величиной зональной. По абсолютной величине она сравнительно невысока на всех черноземных почвах, заметно возрастая к югу на каштановых почвах, сероземах, и к северу - на подзолистых, подзолисто-глееватых.

Наряду с равновесной плотностью отчетливо устанавливается оптимальная плотность, при которой почвенные условия жизни растений благоприятствуют формированию высокопродуктивных растений. Оптимальная плотность по своей абсолютной величине индивидуальна для каждого типа почвы, для разновидностей почв по механическому составу и для биологических групп сельскохозяйственных растений (Ревут и др., 1971).

А.Г. Бондарев (1985) предложил шкалу оптимальных значений плотности (цит. по Воронину, 1986): глинистые и суглинистые 1.0 - 1.30; легкосуглинистые 1.10 - 1.40; супесчаные 1.20 - 1.45; песчаные 1.25 - 1.60.

Диапазон оптимальной плотности, при которой складываются благоприятные водно-физические условия для жизни растений и наилучшим образом проявляются их возможности, нельзя характеризовать лишь равновесной плотностью. В большой степени параметры оптимальной плотности зависят также от влажности и вносимых удобрений (Реппо и др., 1984).

Оценка плотности почв при различном сельскохозяйственном использовании, ее временной и пространственной изменчивости, сопоставление этих данных с характеристиками целинных аналогов представляет большой интерес при прогнозе изменения почв в результате антропогенного воздействия. Ухудшение физических свойств почв в процессе использования проявляется в увеличении плотности, разрушении структуры, уменьшении пористости, что приводит к ухудшению водного и пищевого режимов, а в конечном итоге к снижению урожая сельскохозяйственных

культур (Слесарев и др., 1979; Воронин, 1982; Бондарев и др., 1984; Кузнецова, 1984; Уткаева и др., 1986 и др.; Сапожников, 1990; Димитров, Борисова, 1997). При уплотнении уменьшается количество капиллярно-гравитационной, капиллярной и пленочно-капиллярной влаги, снижается доступность воды растениям (Сапожников, Скворцова и др., 1987; Волокитин и др., 1996). Плотность почвы отражается на структуре почвы. Увеличение размеров агрегатов указывает на уплотнение почвы, увеличение сопротивления пенетрации и росту коней растений (Мешшщ, 1983). При уплотнении увеличивается содержание глыбистой фракции, уменьшается количество агрономически ценных агрегатов, изменяется характер пористости, сокращается количество, периметр и площадь крупных пор, повышается степень анизотропности порового пространства (Сапожников, Скворцова, Уткаева и др., 1987). С увеличением плотности возрастает механическая прочность почвы. Межагрегатное сцепление

о

заметно повышается при плотности сложения свыше 1.3 г/см (Волокитин и др. 1996). Возделывание многолетних трав приводит к увеличению плотности (Белоцветова, 1996). Переуплотнение почв ведет к усилению основного антропогенного фактора деградации почв и ландшафтов - водной и ветровой эрозии (Мутиков, 1997). А.Г. Бондаревым (1990) были предложены следующие градации степени уплотнения:

1. Слабая степень уплотнения. Равновесная плотность суглинистых и

л л

глинистых почв < 1.3 г/см , песчаных <1.4 г/см ;

2. Средняя степень уплотнения. Равновесная плотность суглинистых и глинистых почв 1.3 - 1.5 г/см , песчаных 1.4 - 1.6 г/см ;

3. Сильная степень уплотнения. Равновесная плотность суглинистых и

•5 л

глинистых почв >1.5 г/см , песчаных >1.6 г/см

При средней степени уплотнения (для суглинистых почв - 1.3 - 1.5 г/см3) значительное снижение урожая (20-30 %) наблюдается на всех типах почв. При сильной степени уплотнения (плотность выше

1.6 г/см )

потери урожая могут

достигать 50-60 %.

В связи с этим вызывают интерес и процессы разуплотнения почв под действием внешних сил и саморазуплотнения (Шипилов, 1983; Саранин и др., 1984; Пупонин, Матюк, 1986; Кузнецова, Данилова, 1988). Разуплотнение почв при

набухании-усадке определяется соотношением этих процессов и зависит от генетических особенностей почв и исходной плотности. На процессы саморазуплотнения влияют такие факторы, как гранулометрический и минералогический состав, содержание и качество гумуса, сумма и состав обменных оснований.

Агротехнические мероприятия по повышению устойчивости почв к уплотнению и по их разуплотнению включает все приемы окультуривания почв, которые направлены на поддержание бездефицитного или положительного баланса гумуса за счет применения органических удобрений и посева трав в системе севооборотов, применение системы разноглубинной качественной обработки при влажности физической спелости, глубокое рыхление. Но любая обработка не в состоянии восстановить утраченную при уплотнении пористость почвенных агрегатов, а повышает лишь общую пористость, водо- и воздухопроницаемость, (Сапожников, Уткаева, 1988; Бондарев, 1990). Эффективным приемом оптимизации агрофизических свойств серой лесной почвы является двухъярусная обработка, особенно на фоне органических удобрений, но она требует больших энергетических затрат (Рыбина, Силаков, 1990). В борьбе с переуплотнением почвы важно обработку ее вести при оптимальной консистенции. Почва оптимальной влажности менее уплотняется, чем мягкая пластичная. Она менее подвержена уплотняющим деформациям и хорошо обрабатывается в полутвердом состоянии при влажности, достигающей или несколько меньшей так называемого предела пластичности по Аттербергу. Следовательно необходимо знать нижний предел пластичности пахотных почв и не допускать их переуплотнения при влажности, превышающей этот предел (Рабочев и др., 1983).

В связи с изучением процессов уплотнения и разуплотнения интересным представляется исследование сезонной динамики плотности. Встречается немного работ, посвященных этой теме. В черноземной области изучением этого вопроса занимались В.А. Емельянов и В.П. Маслов (1985). По данным этих исследователей плотность в течение летне-осеннего периода на глубине 30-90 см не менялась. А.Г. Бондаревым (1990) было установлено, что при многократном воздействии на почву

происходит накопление уплотнения как в пахотном, так и в подпахотном горизонтах. Последействие уплотнения почв при обычной системе обработок и внесения удобрений сохраняется в течение 2-3 лет.

Таким образом, исследованию плотности почвы посвящено множество работ. Большая часть работ в последнее время направлена на изучение изменения плотности почвы в результате сельскохозяйственной обработки, влияния прохождения техники на плотность, структуру и порозность почвы. В остальных работах рассматриваются такие вопросы, как изменение плотности почвы в результате процессов набухания-усадки, процессы уплотнения и разуплотнения, пространственное варьирование плотности.

1.2. Пространственная вариабельность плотности и других физических свойств. Проблема пространственной вариабельности. Статистические подходы к оценке. Классическая статистика и геостатистика.

Изменчивость на всех уровнях организации является одним из основных свойств почвы, как продукта взаимодействия факторов почвообразования. Проявление каждого из факторов изменяется во времени и пространстве любой окрестности каждой точки пространства. Пространственная неоднородность почвенных свойств определяет особенности хозяйственного использования и специфику полевого исследования почв. Все существование почв и почвенного покрова связано с постоянными процессами дифференциации и гомогенизации (Карпачевский, 1977). Разнообразие и разная степень воздействия в пространстве и во времени факторов, определяющих протекание этих процессов, обусловливает дифференциацию профиля почв и возникновение неоднородности, и, в это же время, препятствует образованию резких границ между отдельными элементами почвенной структуры, обеспечивая определенную постепенность и непрерывность в изменении признаков (Дмитриев, 1983). Неравноценность факторов и разная степень их воздействия определяет особенности неоднородности почвенного покрова.

Проблеме пространственной неоднородности почвенных свойств, методам ее

изучения посвящено множество работ. В последнее время этот вопрос интересует исследователей в связи с развитием систем земледелия на ландшафтной основе, которые призваны учитывать особенности возделываемой территории, изменчивость почвенных свойств в пространстве (Денисов, 1997; Зимин, Хомяков, 1997; Gupta et al, 1995; Ronny, Akissa, 1996; и др.)

В качестве характеристики варьирования величин отдельных почвенных признаков, таких как влажность, плотность твердой фазы, плотность сложения и др. обычно используют среднее квадратичное отклонение (стандартное отклонение) (Доспехов, 1979, Дмитриев, 1995):

а =

V п-1

где X; - i-тое измерение варьируемой величины;

х - среднее;

п - количество образцов (проб).

Чем сильнее варьирует призн�