Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему

Взаимосвязь некоторых свойств почв легкого гранулометрического состава гумидной зоны с электрофизическими параметрами

ВАК РФ 06.01.03, Агропочвоведение и агрофизика

Автореферат диссертации по теме "Взаимосвязь некоторых свойств почв легкого гранулометрического состава гумидной зоны с электрофизическими параметрами"

На правах рукописи

Елисеев Павел Иванович

ВЗАИМОСВЯЗЬ НЕКОТОРЫХ СВОЙСТВ ПОЧВ ЛЕГКОГО ГРАНУЛОМЕТРИЧЕСКОГО СОСТАВА ГУМИДНОЙ ЗОНЫ С ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИМИ ПАРАМЕТРАМИ

Специальность 06.01.03 -агрофизика

7 НОЯ 2013

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Москва 2013

005537055

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

Научный руководитель:

доктор биологических наук, профессор Поздняков Анатолий Иванович

Официальные оппоненты: Мазиров Михаил Арнольдович

доктор биологических наук, профессор, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального

образования Российский государственный аграрный университет - МСХА им. К.А. Тимирязева, зав. кафедрой земледелия и опытного дела

Курганова Ирина Николаевна

доктор биологических наук, доцент, Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физико-химических и биологических проблем почвоведения Российской академии наук, ведущий научный сотрудник лаборатории почвенных циклов азота и углерода Ведущее учреждение: Государственное научное учреждение Владимирский

научно-исследовательский институт сельского хозяйства Российской академии сельскохозяйственных наук

Защита диссертации состоится «03» декабря 2013 г. в 15 часов 30 мин. в аудитории М-2 на заседании Диссертационного совета Д 501.002.13 при МГУ имени М.В. Ломоносова по адресу: 119991, ГСП-1, Москва, Ленинские горы, д.1, корп.12, факультет Почвоведения. Факс: +7(495)9392947

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке факультета почвоведения МГУ имени М.В. Ломоносова.

Автореферат разослан <о?У» ОШ^ОУ) 2013 г.

Приглашаем Вас принять участие в обсуждении диссертации на заседании диссертационного совета или прислать отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, по адресу: 119991, Москва, ГСП-1, Ленинские горы, д.1, корп. 12, факультет почвоведения, Ученый совет.

Ученый секретарь диссертационного совета

Зенова Галина Михайловна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность исследований

В почвоведении и смежных науках, на протяжении уже более полувека активно изучаются закономерности изменения электрических свойств, в том числе и электрического сопротивления, для самых разных природных сред: горных пород, грунтов, различных водных растворов и почв. Однако стоит отметить, что перечень свойств, от которых зависит электрическое сопротивление почв, обычно указывается весьма широким. Например, утверждается, что электрическое сопротивление зависит от минералогического и гранулометрического составов, пористости, насыщенности пород растворами, сложения и плотности среды, ее температуры и т.д. (Corwin et al., 2003; Fedotov et al., 2002; Johnson et al., 2005; Halvorson, Reule, 1976; Березин, Кипнис, 1978; Боровинская и др., 1981, 1984; Вадюнина, 1979; Вадюнина и др., 1976; Поздняков, 2005, 2009; Раисов, 1973). Но, как известно, эти свойства для определенных почв, имеют вполне определенные диапазоны значений, поэтому мы вправе ожидать и для электрического сопротивления почв вполне четких зависимостей от конкретных свойств почв. Круг этих свойств, для определенных групп почв будет, хотя и различен, но не широк и вполне конкретен.

Попытки по установлению зависимостей удельного электрического сопротивления (УЭС) от ряда самых разных свойств почв проводятся давно (Grisso et al., 2009; Johnson et al., 2005), в том числе в стенах МГУ имени М.В. Ломоносова (Вадюнина, 1979; Вадюнина и др., 1976; Раисов, 1973; Хан и др., 1979, 2009). Однако данные работы проводились в большей мере для почв аридных регионов. Для гумидных регионов таких работ значительно меньше. Здесь в ряде случаев были получены достаточно тесные зависимости от отдельных свойств почв, например, влажности (Поздняков и др., 2002). В других случаях, например, при выявлении зависимостей от элементов питания растений — фосфора и калия, а также от окисного железа, тесных связей получено не было (Friedman, 2005; Nadler, 1991; Sudduth et al., 2005; Поздняков и др., 2002). Поэтому поиск свойств, от

которых зависит удельное электрическое сопротивление, необходимо было продолжить.

С другой стороны, использование электрофизических методов в почвоведении будет успешным, если будут найдены зависимости от таких свойств, которые являются базовыми, основополагающими и определяющими для почв. В этом случае появится возможность оценить «образ» той или иной почвы и ее основные особенности (Atherton et al, 1999; Corwin, Lesch, 2003; Friedman, 2005; Поздняков и др., 2009).

Наиболее важными в этом отношении представляются: гранулометрический состав - содержание физической глины как показатель дисперсности почвы (Шеин, 2005); содержание общего углерода - как основной показатель плодородия почвы; емкость катионного обмена (ЕКО), которая характеризует особенности поверхности твердой фазы, ее способность к насыщению носителями электричества, в данном случае катионами.

Изучению этих вопросов и посвящена представленная к защите работа.

Цель и задачи исследований Целью исследования являлось установление зависимости электрического сопротивления от некоторых базовых свойств (содержание углерода, физической глины и ЕКО) почв легкого гранулометрического состава гумидной зоны и на основе этого разработка комплексного электрофизического подхода по оценке некоторых показателей степени окультуренности. В задачи исследования входило:

1. Изучение электрических параметров почв легкого гранулометрического состава гумидной зоны с разной выраженностью базовых свойств гранулометрического состава, ЕКО и содержания гумуса.

2. Выявление зависимости между электрическими параметрами (сопротивлением, электропроводностью) и указанными базовыми свойствами почв.

3. Разработка подходов в использовании полученных зависимостей для оценки пространственного распределения изученных свойств.

4. Создание научно-обоснованного практического подхода для выделения градаций этих свойств по степени их выраженности, на основе полученных зависимостей.

5. Разработка электрофизического подхода по оценке некоторых показателей окультуренности почв легкого гранулометрического состава гумидной зоны методами электрофизики.

Научная новизна

Показано, что электрическое сопротивление - комплексный параметр физико-химического состояния почв легкого гранулометрического состава, особенно их твердой фазы. В работе впервые были получены и проанализированы зависимости электрического сопротивления от содержания физической глины, емкости катионного обмена и содержания углерода для почв легкого гранулометрического состава гумидной зоны. Установлено, что взаимосвязь между электрическим сопротивлением и данными свойствами имеет вид экспоненциальных зависимостей у=а*ехр(-Ь*х), где а и Ь параметры; у - значение электрического сопротивления, Ом*м; х - значение свойства. В случае с электропроводностью зависимость по внешнему виду в достаточно широком диапазоне свойства может быть аппроксимирована прямой линией.

На основе анализа этих зависимостей предложен новый подход к выбору значений сопротивления для изоомных линий (изогнутые линии Ом*м), очерчивающих достаточно однородные участки в пределах изучаемых территорий (полей) электрофизическими методами.

Использование полученных экспоненциальных уравнений при анализе и трактовке результатов обследования почв электрофизическими методами и предложенный подход выбора изоомных линий дают возможность выявлять конкретное пространственное распределение базовых свойств и распределение самих почв в пределах сельскохозяйственного поля по относительно однородному физико-химическому состоянию.

Практическая и методическая значимость работы

Практическая значимость работы заключается в выработанных системных подходах по оценке пространственного распределения однородных по свойствам участков в пределах поля, чему эффективно способствует специально разработанный для этих целей прием в выборе изоомных линий, очерчивающих эти участки.

Использование полученных систем уравнений для конкретной изучаемой территории позволяет провести экспресс-оценку почв по некоторым свойствам, входящим в показатели степени окультуренности почвы, а также систематизировать почвы по этим признакам. Представленные результаты полезны при комплексном почвенно-ландшафтном обследовании, проектировании агротехнологий, составлении электронных почвенных карт, карт полей севооборотов, автоматизации различных приемов растениеводства и при других вопросах по разработке точного и ландшафтно-адаптивного земледелия в гумидной зоне для почв легкого гранулометрического состава.

Апробация работы

Материалы по теме диссертации были доложены автором на XIV Докучаевских молодежных чтениях «Почвы в условиях природных и антропогенных стрессов» (Санкт-Петербург, 2011), XV Докучаевских молодежных чтениях «Почва как природная биогеомембрана» (Санкт-Петербург, 2012).

Публикации

По теме диссертации опубликованы 3 статьи в журналах, из списка рекомендуемых ВАК и тезисы к научным конференциям в Санкт-Петербурге 2011, 2012 г.

Структура и объем работы

Работа состоит из введения, обзора литературы, описания объектов и методов исследования, результатов и их обсуждений, практического применения результатов исследований, выводов, списка цитируемой литературы, приложения. Общий объем работы 140 страниц машинописного текста, 9 таблиц, 32 рисунка. Список

использованной литературы включает 167 наименований, из них 54 зарубежных авторов. .

Благодарности

Автор выражает глубокую признательность своему научному руководителю профессору Позднякову А.И. за постоянное внимание, консультации, помощь и поддержание интереса к работе. Отдельную благодарность выражаю Русакову A.B. за помощь в сборе материала и классификации данного типа почв, профессору Шеину Е.В. и доценту Шварову А.П. за ценные замечания и советы, а также всему коллективу кафедры физики и мелиорации почв за рабочую обстановку и теплую атмосферу.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Введение

Обоснована актуальность диссертации, сформулированы цель и задачи исследования, описана структура диссертации.

Глава 1. Электрофизические исследования в почвоведении

Глава посвящена рассмотрению современного состояния вопросов применения электрофизических методов в почвоведении (Atherton et al., 1999; Corwin, Lesch, 2003; Friedman, 2005; Robinson et al., 2003; Tabbagh et al., 2000; Поздняков и др., 2002; Поздняков, 2005). В ней подробно проанализировано состояние проблемы. Раскрыты понятия, приведены уже имеющиеся подходы для изучения неоднородности свойств почв на основе электрических параметров.

Отмечается, что анализ имеющихся литературных источников по применению электрофизических методов при почвенных, почвенно-мелиоративных и экологических обследованиях почв показал, что они совместно с классическими методами почвоведения позволяют проводить подобные работы на новом научно-техническом и технологическом уровне (Carrow, Duncan, 2004; Cassagne, Brun, 2010; Corwin, Lesch, 2003; Friedman, 2005; Paillet, et al., 2011; Robinson et al., 2003; Поздняков, 2009). Это позволило разработать новые подходы и технологии для этих целей (Поздняков, 2005, 2009) и значительно (в несколько раз) сократить затраты на такие обследования. Также это позволяет получать более объективную и

репрезентативную информацию по сравнению с обследованиями, выполненными только на основе классических методов.

Важными отличительными особенностями предлагаемых технологических разработок является способность ряда электрофизических методов выполнять почвенные, почвенно-мелиоративные и другие обследования без нарушения почвенного покрова, проводя измерения с поверхности, а информацию получать до любой интересующей глубины. Такими особенностями не обладает не один из применяемых сейчас в почвоведении методов и подходов (Cassagne, Brun, 2010; Corwin, Lesch, 2003; Friedman, 2005; Loke et al., 2011; Поздняков, 1996 - 2012).

Рассмотрены имеющиеся в этом направлении недоработки и перспективы влияния некоторых свойств почв на электрические параметры и их возможные связи с элементами, обуславливающими особенности почв, в том числе окультуренность.

Глава 2. Объекты и методы исследования 2.1. Характеристика объектов исследования

Объектами исследования послужили различные массивы целинных и пахотных супесчаных почв Дмитровского района Московской области, расположенные на небольшом удалении друг от друга в пределах 1-Й яруса макросклона северной экспозиции Клинско-Дмитровской гряды, ограниченной уступом к древнеозерному расширению долины р. Яхрома («Яхромская пойма»).

Для того чтобы охватить как можно больший диапазон выраженности признаков, влияющих на сопротивление были специально выбраны естественные почвы и почвы окультуренных ландшафтов гумидной зоны, в которых существенно меняются такие характерные свойства, как физическая глина, содержание общего углерода и ЕКО. Площадь ключевых массивов варьировалась от десятых долей гектара до 20 га.

Выбор объектов исследования определялся также возрастом освоения антропогенно-преобразованных почв:

• объект №1 - серогумусовые супесчаные почвы на озерно-ледниковых супесях (неосвоенные почвы) - Классификация 2004г.

• объект №2 и №3 - агрогумусовые супесчаные почвы, имеющие разный срок освоения — 20 и 25 лет соответственно, на озерно-ледниковых супесях - Классификация 2004г.

• объект № 4 — агроземы светлые супесчаные, развитые на двучленной основе: озерно-ледниковых супесях, подстилаемых озерно-ледниковыми глинами - Классификация 2004г.

• объект № 5 - агроземы светлые супесчаные, развитые на озерно-ледниковых супесях - Классификация 2004г.

2.2 Методы исследования Для определения физических и химических свойств почв были использованы классические методы и приборы (Шеин и др., 2001; Шеин, Карпачевский, 2007).

В лаборатории были определены: влажность термостатно-весовым методом (Шеин и др., 2001); содержание углерода при помощи экспресс-анализатора АН-7529М (Когут и др., 1993); гранулометрический состав методом лазерной дифракции на приборе «Апа1узеие-22»; емкость катионного обмена (Воробьева Л.А., 1998). Все объекты были изучены полевыми методами электрофизики почв (Поздняков и др., 2012). При проведении измерений электрического сопротивления использовался портативный прибор ЬапёМаррег® ЕЯМ-02 и четырех электродные измерительные установки АМЫВ (www.landviser.net).

В качестве одного из методов полевых измерений использовалось горизонтальное электрическое профилирование. В полевых условиях измерения удельного электрического сопротивления проводились при высокой влажности для пахотного горизонта - больше влажности разрыва капилляров. Глубина измерений в пахотном горизонте обеспечивалась расстоянием между электродами измерительной установки в 30 см. В лабораторных условиях с тем же прибором использовались измерительные датчики-кюветы размером 3*5*3 см с плоскопараллельными АВ электродами.

В условиях лаборатории удельное электрическое сопротивление определялось, при увлажнении почв до пастообразного состояния, т.е. при стандартизированных «равновесных» условиях (Поздняков и др., 2002).

Таким образом, электрическое сопротивление определялось при полевых и лабораторных методах измерения. Основное их отличие состоит в том, что при лабораторных методах электрическое сопротивление определяется в более стабильных условиях ввиду того, что почвенный образец находится в стандартизированных «равновесных» условиях. Обработка данных осуществлялась как общепринятыми статистическими методами, так и программами Maplnfo, Surfer, OriginPro и другими.

Глава 3. Результаты и обсуждение 3.1 Физико-химическая характеристика объектов исследования

В разделе 3.1 приведена обобщенная характеристика физико-химических свойств супесчаных целинных и агропочв макросклона Клинско-Дмитровской гряды.

Сравнительное изучение морфологического описания разрезов, сделанных на ключевых участках разного временного интервала освоения - объект№1 (неосвоенные почвы) - объект №4 (60 лет освоения) - объект №5 (>100 лет освоения) выявило влияние времени освоения почвы на строение ее профиля. Прежде всего, следует отметить маломощность гумусового горизонта почв, с нулевым уровнем освоения. При увеличении возраста освоения 0-60-100 лет выявлено заметное увеличение суммарной мощности гумусовых горизонтов: 15-3544 см соответственно (рис.1).

Рисунок 1. Строение профиля почв исследованных пахотных супесчаных почв: а) разрез №1 (естественные почвы); б) разрез ^(производственный пахотный массив); в) разрез №5 (почвы с возрастом освоения более 100 лет).

3.2 Связь электрического сопротивления с базовыми свойствами почв

Основной задачей нашего исследования было выявление и анализ зависимостей между электрическими характеристиками, в первую очередь сопротивлением, и основными (базисными) свойствами почв, определяющими «облик» почв и характеризующих ее твердую фазу: содержанием физической глины, емкостью катионного обмена и содержанием углерода.

В первую очередь при анализе полученных результатов и зависимостей стоял вопрос выбора вида зависимости. Чаще всего этот вопрос решается большинством исследователей, руководствуясь исключительно общим видом кривых и математико-статистическими соображениями. Справедливости ради следует отметить, что это не всегда корректно, поскольку при выборе вида зависимости следует опираться на физический смысл изучаемого явления, в нашем случае, на природу и проявление электрических характеристик в почвах.

Для интерпретации полученных данных была выбрана экспоненциальная зависимость Больцмановского вида у=а*ехр(-Ь*х), которой обычно в первом приближении описывают поведение электрических характеристик в двойном электрическом слое дисперсных частиц почв. Явления и закономерности, происходящие на микроуровне, опосредованно проявляются и на макроуровне, поскольку и на макроуровне величины электрического сопротивления зависят от свойств почв микрочастиц твердой фазы почвы в измеряемом объеме. Поэтому для описания зависимостей электрического сопротивления от свойств почв легкого гранулометрического состава гумидной зоны были выбраны классические свойства почв, которые, так или иначе, описывают, хотя и опосредовано, поведение параметров двойного электрического слоя дисперсных частиц почв — содержание физической глины, ЕКО, содержание углерода (Corwin, Lesch, 2005; Grisso et al., 2009; Поздняков, 2009).

Были установлены корреляционные связи между электрическими параметрами целинных и антропогенно-преобразованных почв легкого гранулометрического состава и вышеперечисленными свойствами важными также и для характеристики самих почв (рис. 2). Как и предполагалось, было выявлено, что электрическое

сопротивление, измеренное как в полевых (рис. 26), так и в лабораторных условиях (рис. 2а), тесным образом зависит от исследованного набора свойств почв: гранулометрического состава, ЕКО и содержания общего углерода.

Рисунок 2. Зависимость значений электрического сопротивления от базовых свойств, полученных в лабораторных (а) и полевых (б) условиях, для объектов 1 -5.

Установлено, что коэффициенты корреляции между величинами удельного электрического сопротивления и физической глиной, емкостью катионного обмена и углеродом для всех почвенных горизонтов легкого гранулометрического состава гумидной зоны, находятся в пределах от 0,82 до 0,91 (табл. №1).

Таблица №1.

Средние значения коэффициентов корреляции для полученных зависимостей по всем объектам исследования

Свойство Физ. глина, % Углерод, % ЕКО, мэкв/ЮОг

Эл. сопротивление (лаб ), Ом*м 0,88 0,91 0,83

Эл. сопротивление (поле), Ом*м 0,85 0,89 0,82

Более высокие значения коэффициентов корреляции получены для лабораторных измерений электрического сопротивления методом почвенных паст. Это свидетельствуют о том, что лабораторные данные более информативны и точнее соответствуют общей концепции зависимости электрического сопротивления от базовых свойств почв по экспоненциальному закону.

3.3. Характеристика зависимостей электропроводности от базовых свойств

почв

Учитывая широкое использование электропроводности почв в практике почвенных исследований, особенно за рубежом (Lund E.D. et al, 1998; Rhoades, J.D., Corwin, D.L. 1992; Anderson-Cook C.M. et al, 2002), нами была проведена попытка использования электропроводности для характеристики изученных свойств почв. Для этого был произведен перерасчет полученных значений из электрического сопротивления в электропроводность, учитывая их обратно пропорциональную зависимость. Исследуемые зависимости, согласно простым математическим

ь

преобразованиям, были аппроксимированы функцией вида у = еа+*«, (где у -электропроводность, См/м; х — значения выбранного свойства; а,Ь,с — параметры), показавшей наибольшие значения коэффициента достоверности аппроксимации R2. Были получены следующие зависимости вида электропроводность-свойство (рис. 3).

Несмотря на то, что преобразования экспоненциальных зависимостей «электрическое сопротивление — свойство» приводит также к экспоненте в силу

логики математического анализа, тем не менее, особенности зависимостей электропроводности от свойств позволяют на большом участке этой кривой интерпретировать их как прямые линии. Это в определенной мере полезно и широко использовалось в почвенной практике и ранее.

а) б)

| Лабораторные

у=ехр(а+Ь?(х+с))|

У

Equation y=expla«b/i« Reduced Oii-Sq 1.И125Е-7

Ac|. R-Squira 0.95133

Value Standard Еле •3.00663 0.19171 -11.0337 1.M722 2 8Э553 0.39462

0.012 2 0,010'

Equation у =ехр(а+ j ■ Лабораторные

Reduced Chi-S 5,84512Е I у =ехр(а+Ы(х+с))

Adj. R-Square 0,80692

Value Standard Err

a -3,87009 0,41219

b -31.48666 14,8147

с 3,22176 4,08425

l.^ 1

v ^

6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26

ФГ, %

Equation y=exp(a*b/(x+c

Reduced Chi-S 7.68359E-7

Adj. R-Squne 0.8116

Value Standard Er

a -3,32284 0,48277

b -47,76779 22,48265

e 10,22327 5,30854

/

■ < ' ■■ ■

Лаборатоные у =exp(a+b/(x+c))

2 0.008

0

1

i

q 0.002

Equation у =exp(a+b

Reduced Chi- 5.48645E-

Adj. R-Square 0,84689

Value Standard Er

В -3,1939 0,55253

В b -8,8962 4,07258

В 2.16961 0,82373

i

У

с, %

Equation у =exp(a+ Reduced Chi- 6.56752E Adj. R-Squar 0.8147

Value Standard

-2.55742 1,10212

-83.7341 59,77905

10.92485 9,53064

■ Полевые I-у =exp(a+b/(x+c)) |

16 18 20 22 24 26

| Equation у =exp(a+b/(x+ Reduced Chi- 6,24241 E-7 |Ай), R-Squaie 0,82456

0,010-11 Value Standard E] -3,60764 0,39954 -34,50147 14,14351 6,66634 3,49344;

■ Полевые I--v =exp(a+b/(x+c))

EKO мэкаЛ OOr

Рисунок 3. Зависимость значений электропроводности от базовых свойств, полученных лабораторных (а) и полевых (б) условиях, для объектов 1-5.

3.4. Проверка возможности практического использования полученных

зависимостей

Проверка достоверности полученных зависимостей проводилась на основе данных по легким почвам совхоза «Новоусинский» Усинского района Республики Коми. Характеристики объекта и образцы почв были предоставлены доцентом кафедры почвоведения и экологии почв биолого-почвенного факультета Санкт-Петербургского государственного университета, д.г.н. Русаковым A.B.

Ниже приведены результаты наложения (рис. 4) полученных значений на кривую зависимости «электрическое сопротивление-углерод», полученной для Клинско-Дмитровской гряды.

Легко видеть, что значения содержания углерода достаточно хорошо накладываются на кривую, полученную при изучении почв легкого грансостава Клинско-Дмитровской гряды.

2000

s 1800 *

о 1600

| 1400

<D

| 1200

а 1000

с

° 800

о. І К

СП

t

+-

600 400 200 0

+ + + +

■ Республика Коми + МО, Клинско-Дмитровская гряда

f ++ * %

3

с,%

Рис. 5. Взаимное расположение результатов измерений полученных при исследовании объектов Республики Коми и Клинско-Дмитровской гряды Московской области.

Аналогичные сравнения были проведены и для остальных выбранных свойств. Таким образом, можно предполагать, что полученные уравнения взаимосвязей электрического сопротивления с базовыми свойствами для легких почв Клинско-

Дмитровской гряды репрезентативны и могут быть использованы при изучении почв легкого гранулометрического состава гумидной зоны другого региона.

3.5. Системы уравнений полученных зависимостей В разделе приведены полученные уравнения для полевых и лабораторных измерений в виде двух систем уравнений. Подводя итог полученных результатов, можно говорить о том, что представленные выше системы уравнений довольно хорошо и четко описывают полученные экспериментальные значения. При этом проведенная проверка на независимых объектах исследования показала не только возможность применения данных систем уравнения, но и их высокую точность. По представленным результатам, был предложен вариант практического применения полученных систем уравнений на практике, особенно применения в основе систем точного и точечного земледелия.

Глава 4. Практическое применение результатов исследований 4.1. Обоснование практического применения Электрические характеристики, в первую очередь электрическое сопротивление, как комплексный физико-химический показатель почвы, может служить для качественной характеристики состояния сельскохозяйственного поля. В этом отношении имеет смысл обратить внимание на опыт развитых странах. В Северной Америке и Европе использование ЕС-карт почвы (ЕС, electrical conductivity-электропроводность) практически повсеместно. Здесь во многом это уже обыденное явление и знание ЕС-карт входит даже в перечень профессиональных требований к научному работнику.

4.2. Применение полученных зависимостей в практике прикладного

почвоведения и земледелия Полученные системы уравнений были нами применены в практике прикладного почвоведения и земледелия, в первую очередь при выделении однородных участков в пределах поля и при детальном и крупномасштабном картировании.

Важным моментом при проведении такого рода работ является выбор значений сопротивления для изоомных линий. Обычно этот выбор проводится

произвольно, отсюда значительная пестрота картины изучаемого ноля и трудности их генерализации (рис. 6).

Но если осуществить выбор значений для изоомных линий на основе анализа зависимостей кривых сопротивления от свойства, то можно отсортировать те величины сопротивления, в которых происходят существенные изменения в физико-химическом состоянии почв, например при изменении степени окультуренности.

а Ом'м С. 0 ФГ ЕКО ° МЭКВМООГ

ь 800 * ол - 6 9 и а.

700 - 0.3 - 79 1 5.7

600 <ы - 9.1 1 6.4

500 — 0 6 - 10 5 - 7 3

400 0.9 | 12,2 8.3

300 1.2 14.4 9.6

200 1 7 176 11.4

150 20 — 19.8 12,7

100 - 2.5 ш 22 9 14.6

50 - 3.2 - 282 - 17 7

0 »32 >28 2 >177

Рисунок б. Картирование производстаенного массива с использованием электрического сопротивления на глубину 30 см при наложении на топографическую основу.

Для выделения таких величин сопротивления, а, следовательно, и диапазонов, при которых физико-химическое состояние почв остается практически неизменным был предложен практический подход. На рис. 7 можно видеть как по мере нарастания выраженности того или иного свойства почвы - физической глины, общего углерода и емкости катионного обмена снижается удельное электрическое сопротивление. Проводя прямые к разным участкам экспоненты, где градиент признака одноуровневый, и принимая во внимание сроки освоения выбранных участков, можно выбрать такие значения изоомных линий, и диапазоны между ними, которые будут характеризовать определенные (пороговые) значения этих

свойств и их выраженности, а, следовательно, характеризовать разное физико-химическое состояние почв. Важно, что изученные свойства однонаправлены по влиянию на электрическое сопротивление и взаимосвязаны.

х Объект №1 (нулевой уровень освоения)

с,%

Рисунок 7. График зависимости удельного электрического сопротивления от содержания углерода в почве на примере Клинско-Дмитровской гряды.

Проделав подобный анализ, была получена таблица №2. По этой таблице, используя полученные диапазоны электрического сопротивления почв можно определить степень содержания признака по четырем градациям.

Таблица №2.

Пороговые значения свойств почв при выборе значений изоом на основе анализа зависимостей

Свойство Низкое содержание Среднее содержание Высокое содержание Очень высокое содержание

рпояев, Ои*М > 973±97 660±53 335±42 < 335±42

Собщ. % < 0,2±0,05 0,6±0,1 1,4±0.3 > 1,4±0,3

Физическая глина, % <7,3±1,5 10,8±2 15±3 > 15±3

ЕЮ, мэкв/100г < 5Д±0,5 6,8±0,4 10Д±1,2 > 10Д±1,2

Используя эти значения, была получена трансформированная картина распределения свойств почв по степени их выраженности, согласованная с физико-

химическим состоянием почв поля разных участков. Результаты этой картины были отображены на картографическом распределении признаков в выбранных интервалах, характеризующих степень содержания того или иного свойства (рис. 8).

Рисунок 8. Распределение изоом и соответствующих им значений свойств почв, построенных на основе анализа зависимостей между УЭС и свойством легких антропогенно-преобразованных почв Клинско-Дмитровской гряды.

Подобный подход также был использован при изучении траншеи на объекте №5 (более 100 лет освоения) имеющим высокие значения выраженности свойств (рис. 9). По представленному рисунку видно, что выделяемая на основе анализа зависимостей сопротивления и свойств изоомная линия в 150 Ом*м является нижней границей наиболее окультуренного слоя (рис. 9а).

Ниже приведенные схемы траншеи по углероду и физической глине полученные на основе анализа зависимостей сопротивления подтверждают это предположение (рис. 96, в).

Исходя из выше изложенного, можно утверждать, что УЭС может использоваться как основной интегральный (обобщающий) оценочный показатель

R, Ом'м С, %

ФГ % ЕК0' ф|% мэкв/ЮОг

для детального и быстрого обследования почв отдельных полей, для ранжирования массивов пахотных почв по выраженности определенных свойств, а также для изучения распределения почв в пределах одного поля. Предложенный подход выбора значений для изоомных линий упрощает и формализует выбор относительно однородных по свойствам участков поля, а)

Ом 5м Юм 15м 20м

б)

20

¿0

60

80 100

в)

20

40

60

80 100

Рисунок. 9. Схема исследованной траншеи с указанием глубины, длины на которой производилось измерение и значения свойства: а) электрического сопротивления, Ом*м; б) содержание углерода, %; в) содержание физической глины, %.

4.3 Оценка некоторых свойств почв, определяющих степень их окультуренности, по электрическому сопротивлению

Для каждого исследованного объекта были также посчитаны средние значения электрического сопротивления в соответствии с возрастом освоения (рис. 10).

Как уже отмечалось выше, электрическое сопротивление в почвах легкого гранулометрического состава гумидной зоны изменяется в основном вслед за

ГГГчТТТТчТ1

изменением основных базовых свойств почв (гумус, физическая глина, ЕКО). У почв легкого гранулометрического состава гумидной зоны при увеличении возраста освоения эти свойства изменяются, прежде всего, в связи с внесением органических удобрений и постоянной механической обработкой. Это подтверждается и рисунком 10.

1036±233 1046 ±247 В полевые У лабораторные

Объект №1 Объект №2 Объект №3 Объект №4 Объект №5 (естеств.) (20 лет) (25 лет) (60 лет) (100 лет)

Рисунок 10 . Взаимосвязь средних значений электрического сопротивления от возраста освоения каждого объекта при полевых и лабораторных исследованиях.

В данном случае, различия по электрическому сопротивлению естественных почв и почв, подверженных продолжительному сельскохозяйственному воздействию, отличаются в несколько раз.

Понятно, что с увеличением возраста освоения, а, следовательно, объемов вносимых органических удобрений, растет содержание общего углерода. Это отражается на значениях электрического сопротивления - его величины снижаются. При подробном анализе, на графике зависимости электрического сопротивления от общего углерода с дифференциацией по сроку освоения прослеживается три участка (рис. 11). Первый - резкое уменьшение электрического сопротивления при малейших изменениях углерода (диапазон 0-0,5 %). Это область принадлежит естественным почвам, т.е. неокультуренным. Второй диапазон - перегиб кривой (0,5-2,2%), эта область слабо и средне окультуренных почв. И третий диапазон, -выположенная часть кривой (2-5%). Это область хорошо окультуренных почв.

Степень окультуренности определялась условно, исходя из значений трех

выбранных признаков — физической глины, углерода и ЕКО, которые, как известно,

21

входят в основные показатели степени окультуренности. Подобные зависимости были получены для всех изучаемых свойств.

5 юии О

¡и 1400 г

X

£ 1200

о

з:

О 1000

х*

ХОбьект№1(естеего.) *.06ьект №1(20 пет! »Объект №3(25 лег} ♦ Обьект №4(60 лет! в Обьект №5 (>100лег)

С,%

Рисунок 11. Зависимость электрического сопротивления от содержания общего углерода для всех исследованных объектов.

Таким образом, следует отметить возможность выделения на кривой зависимости «электрическое сопротивление - свойство» областей характерных для каждого возраста освоения объекта. При этом каждому возрасту освоения характерны свои диапазоны значений по трем выбранным свойствам - содержание физической глины, гумуса и ЕКО. Принимая во внимание, что в новую методику эколого-экономической оценки сельскохозяйственных угодий (2007 г.) из всех основных физико-химических свойств входят такие показатели, как гранулометрический состав и содержание гумуса, и, используя приведенные выше системы уравнений, можно значительно сократить затраты на проведение анализов по определению содержания указанных свойств. Для этого необходимо провести измерения электрического сопротивления, а затем, используя указанные системы уравнений произвести перерасчет на содержание гумуса и показателей гранулометрического состава. Это значительно сокращает объем работ по оценке степени окультуренности почв определенной территории.

По итогам такого анализа, на примере Клинско-Дмитровской гряды, была получена таблица (табл. №3) для предварительной оценки и характеристики

содержания основных свойств, входящих в показатели степени окультуренности почв легкого гранулометрического состава гумидной зоны

Таблица №3.

Сводная таблица градаций некоторых свойств характеризующих окультуренность легких почв гумидной зоны на примере Клинско-Дмитровской гряды.

Свойство Неокультуренные Слабо окультуренные Средне окультуренные Сильно окультуренные

Собш» % 0,1 ±0,057 0-0,5 0,5±0,09 0,5-1 1,4±0,15 1-1,9 2,2±0,4 1,9-...

ФГ, % 7±0,7 0-9 11,0±0,9 10-14 14,9±0,85 14-17 18,0±1,4 17-...

ЕКО, мэкв/ЮОг 5±0,6 0-5 6,5±0,5 5-8 10,1±0,65 8-12 14±1,9 12-...

Рполев, Ом*м 1036±233 950-1800 770±130 550-950 335±33 220-550 204±22 100-220

рлаб, Оы*м 1046±247 850-1800 570±77 400-850 275±17 220-400 190±25 90-220

X полев» См/м -І -і 1,1*10 ±0,2*10 (0,7-1,1) *10"3 1,4*10 ±0,2*10 (1,1-1,8) МО"3 3,1*10 ±0,2*10 (1,8-4,5) *Ю"3 5,3*10 ±0,7*10 (4,5-10) *1 о"3

Хлаб, См/м 1,1*10 ±0,2*10 (0,7-1,1) *10"3 1,9*10 ±0,3*10 (1,1-2,5) *103 3,7*10 ±0,2*10 (2,5-4,5) *10"3 5,8*10 ±0,1*10 (4,5-11)*10"3

»Вверху каждой ячейки указано среднее значение признака с 95% доверительным интервалом, внизу ячейки - диапазон признака в соответствии со степенью окультуренности участка

Диапазоны электрического сопротивления для полевых и лабораторных методов очень близки.

Полученные подходы можно использовать для определения основных свойств, входящих в показатели степени окультуренности почв легкого гранулометрического состава любого региона гумидной зоны с легкими почвами, проведя предварительно такие же обследования по выявлению связей или выявив значения для разных уровней окультуренности.

Выводы

1. Электрическое сопротивление легких антропогенно-преобразованных почв при высокой влажности (более 1.5 МГ), что обеспечивается гумидностью климата, является комплексным показателем, который в основном зависит от трех взаимообусловленных «базовых» свойств почв, характеризующих ее твердую фазу: гранулометрический состав (содержание физической глины), содержание общего углерода и емкость катионного обмена.

а) Выявлено, что эти зависимости описываются уравнениями вида у=а*ехр(-Ь*х), где у- электрическое сопротивление, Ом*м; х- любое из вышеуказанных свойств.

б) Установлено, что коэффициенты корреляции между величинами удельного электрического сопротивления и физической глиной, емкостью катионного обмена и гумусом находятся в пределах от 0,82 до 0,91.

2. Проверка полученных зависимостей на произвольных объектах почв Клинско-Дмитровской гряды, а также легких почвах Республики Коми, показала возможность их использования и для других легких почв гумидной зоны.

3. Предложен новый практический подход для выбора значений изоомных линий -важнейшего параметра при обработке данных. Он основан на аппроксимации экспоненциальных зависимостей «сопротивление-свойство» прямолинейными кусочно-линейными отрезками.

4. Использование полученных экспоненциальных уравнений при анализе и трактовке результатов обследования почв электрофизическими методами и предложенный подход выбора значений изоомных линий дают возможность выявления корректного распределения относительно однородных участков сельскохозяйственного поля по таким важным характеристикам, как содержание общего углерода, емкость катионного обмена, гранулометрический состав.

5. Полученные зависимости сопротивления могут быть использованы при оценке показателей степени окулыуренности почв легкого гранулометрического состава; а также при комплексном детальном и крупномасштабном обследовании необходимом для разработки точного и ландшафтно-адаптивного земледелия. Данные результаты позволяют рекомендовать электрофизические

методы, как полевые, так и лабораторные для более широкой экспресс экспертной оценки почв. 6. Наряду с электрическим сопротивлением, для таких оценок почв можно успешно использовать и электропроводность, хотя ряд полезных практических особенностей при этом утрачивается.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Поздняков А.И, Елисеев П.И, Русаков A.B. Электрическое сопротивление как возможный показатель окультуренности пахотных супесчаных почв гумидной зоны Вестник Московского Университета. Серия 17. Почвоведение, 2012, №2, с.54-60

2. Поздняков А.И, Елисеев П.И. Зависимости удельного электрического сопротивления от некоторых свойств легких пахотных почв в окультуренных ландшафтах гумидной зоны //Вестник Оренбурского Государственного Университета, 2012, №10, с.98-104

3. Поздняков А.И, Елисеев П.И. Электрофизические методы экспрессной оценки топографии распределения базовых свойств легких почв гумидной зоны //Естественные и технические науки, 2012, №4, с. 128-131

4. Елисеев П.И. Электрическое сопротивление - показатель окультуренности дерново-подзолистых почв легкого гранулометрического состава //Сборник материалов XIV Всероссийской конференции Докучаевские молодежные чтения «Почвы в условиях природных и антропогенных процессов». Санкт-Петербург, 2011, с.127-128

5. Елисеев П.И. Электрическое сопротивление и базовые свойства песчаных окультуренных почв гумидной зоны //Сборник материалов XV Международной научной конференции Докучаевские молодежные чтения «Почва как природная биогеомембрана». Санкт-Петербург, 2012, с. 195-196

Подписано в печать: 20.10.2013 Тираж: 100 экз. Заказ № 998 Отпечатано в типографии «Реглет» г. Москва, Ленинградский проспект д.74 (495)790-47-77 www.reglet.ru

Текст научной работыДиссертация по сельскому хозяйству, кандидата биологических наук, Елисеев, Павел Иванович, Москва

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ М.В.ЛОМОНОСОВА

факультет почвоведения

04201364992

На правах рукописи

ЕЛИСЕЕВ ПАВЕЛ ИВАНОВИЧ

ВЗАИМОСВЯЗЬ НЕКОТОРЫХ СВОЙСТВ ПОЧВ ЛЕГКОГО ГРАНУЛОМЕТРИЧЕСКОГО СОСТАВА ГУМИДНОЙ ЗОНЫ С ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИМИ ПАРАМЕТРАМИ

Специальность 06.01.03 - агрофизика

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Научный руководитель: д.б.н., профессор Поздняков А.И.

Москва-2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение 3

Глава 1. Электрофизические исследования в почвоведении 10

1.1. Роль электрофизических исследований в почвоведении 10

1.2. Электрические свойств почв: основные методы измерения 12

1.3. Электрогеофизика в почвоведении 15

1.4. Электрофизические методы в почвоведении 16

1.5. Теория электрических полей и почвообразовательных процессов 22

1.6. Электрические поля и свойства почв 22

1.7. Основные измерительные приборы электрофизики почв 30

1.8. Теоретические основы использования методов электрофизики

" в точном земледелии 35

Глава 2. Объекты и методы исследования 44

2.1. Характеристика объектов исследования 44

2.2. Методы исследования 53 Глава 3. Результаты и обсуждение 64 3.1 Физико-химическая характеристика объектов исследования 64

,, 3.2 Связь электрического сопротивления с базовыми свойствами почв 67

3.3 Характеристика зависимостей электропроводности от базовых

свойств почв 78

3.4. Проверка возможности практического использования

ч полученных зависимостей 84

3.5. Системы уравнений 87 Глава 4. Практическое применение результатов исследований 89

4.1. Обоснование практического применения 91

4.2. Применение полученных зависимостей в практике прикладного почвоведения и земледелия 99 4.3 Оценка некоторых свойств почв определяющих степень окультуренности почв по электрическому сопротивлению 106 Заключение 111 Список литературы 113 Приложение 131

ВВЕДЕНИЕ

В почвоведении и смежных науках, на протяжении более полувека активно применяются полевые методы электрофизики. При этом широко изучаются закономерности изменения электрических свойств, в том числе и электрического сопротивления, для самых разных природных сред: горных пород, грунтов, различных водных растворов и почв (Corwin et al., 2003; Halvorson, Reule, 1976; Краев, 1965; Матвеев, 1982; Павлова, Хмелевской, 1976; Поздняков, Позднякова, 2004).

Однако стоит отметить, что перечень свойств, от которых зависит сопротивление почв, обычно указывается весьма широким. Например, утверждается, что электрическое сопротивление зависит от минералогического и гранулометрического составов, пористости, насыщенности растворами, сложения и плотности среды, ее температуры и т.д. (Corwin et al., 2003; Fedotov et al., 2002; Johnson et al., 2005; Halvorson, Reule, 1976; Боровинская и др., 1981).

Но, как известно, эти свойства для определенных почв, имеют вполне определенные диапазоны значений, поэтому мы вправе ожидать и для электрического сопротивления почв вполне четких зависимостей от конкретных свойств почв. Круг этих свойств, для определенных групп почв будет, на наш взгляд, хотя и различен, но не широк и вполне конкретен.

Казалось бы, эти зависимости настолько уникальны для каждого конкретного случая, что выявить какие-либо конкретные зависимости невозможно или не представляется целесообразным, исходя из возможных затраченных усилий. Однако это не совсем верно. Как известно, каждый тип почв имеет определенные диапазоны значений каждых свойств. Следовательно, раз свойства почвы имеют определенные диапазоны значений, то и электрическое сопротивление, связанное с этими свойствами будет иметь вполне характерные диапазоны значений. При этом, действуя в определенных диапазонах свойств, можно получить четкие зависимости электрического

сопротивления от данных свойств в выбранных диапазонах (Поздняков, Елисеев, 2012; Corwin, Lesch, 2003, 2005).

Если посмотреть на данную ситуацию с обратно стороны, то имеется набор зависимостей электрического сопротивления от свойств почв в определенном диапазоне значений. Таким образом, разделяя почвы по данным диапазонам значений свойств, можно составить вполне конкретную картину характеристики почвы по электрическому сопротивлению. Иначе говоря, измеряя электрическое сопротивление, можно говорить о принадлежности данной почве определенного диапазона значений определенных свойств. Круг этих свойств, для определенных групп почв будет, на наш взгляд, хотя и различен, но не широк и вполне конкретен (Поздняков, Елисеев, 2012).

К настоящему времени уже были предприняты попытки по установлению зависимостей удельного электрического сопротивления от различных свойств почв, в том числе и на факультете почвоведения Московского государственного университета (Поздняков, 2005, 2009; Поздняков и др., 2002). В одних случаях были получены довольно тесные зависимости электрического сопротивления от ряда свойств почв, например, влажности (Поздняков, 2005). При этом при выявлении подобных зависимостей с элементами питания - фосфором и калием, а также некоторыми другими, успехов получено не было (Поздняков и др., 2002).

Таким образом, для успешного внедрения использования электрофизических методов в почвоведение и в физику почв, в частности, необходимо выявить зависимости от таких свойств почв, которые являются основополагающими, определяющими самую почву и являются ее точной характеристикой.

Наиболее важными в этом отношении могут быть гранулометрический состав, а конкретнее физическая глина (ФГ) (Шеин, 2005). ФГ является показателем дисперсного состояния почвы, что является неотъемлемой характеристикой каждой почвы (Grisso et al, 2009; Johnson et al., 2005). Несомненным весом обладает и такой показатель, как содержание общего

углерода, косвенно характеризующее плодородие почвы. Третьим, важным показателем с учетом использования электрических зависимостей, является емкость катионного обмена, которая характеризует развитость поверхности дисперсной среды почвы и способность к насыщенности твердой фазы почвы носителями электричества, в данном случае катионами.

Несомненным плюсом использования данных базовых свойств почвы для выявления зависимостей с удельным электрическим сопротивлением, является еще и то, что данные свойства, отражая все основные аспекты физико-химической организации почвы, по-видимому, будут тесно связаны и между собой. Причем данные свойства однонаправлены в своих изменениях - с увеличением выраженности одного увеличивается другое свойство и наоборот. Поэтому можно ожидать и одинакового равнонаправленного влияния их на электрическое сопротивление.

При этом нельзя не учитывать, что на концентрацию ионов в почвах в значительной мере влияет и влагосодержание - влажность почвы, особенно, в сорбционном диапазоне (Weerts, 1998; Поздняков, 2009).

Здесь, однако, не все так однозначно. Да, влажность, несомненно, влияет на удельное электрическое сопротивление, потому что вода достаточно хорошо проводит электричество. Таким образом, изменяя влажность можно влиять и на удельное электрическое сопротивление. Однако при достаточно высокой влажности - больше влаги разрыва капилляров - ее влияние на сопротивление резко уменьшается. На первое место выходят другие более стабильные базовые свойства такие как: физическая глина, углерод, ЕКО, которые довольно резко изменяются при антропогенном преобразовании легких почв культурных ландшафтов гумидной зоны (Friedman, 2005; Nadler, 1991; Sudduth et al., 2005).

Группа почв «легкого» гранулометрического состава обычно характеризуется неоднородными агрогенетическими свойствами.

По результатам как отечественных, так и зарубежных исследований (Atherton et al., 1999; Corwin, Lesch, 2003; Friedman, 2005; Поздняков и др.,

2009), электрические свойства почв в разных регионах зависят от разных базовых почвенных свойств.

Например, в аридных регионах большое значение имеют влажность и засоленность. Напротив, в гумидных регионах, где засоленность встречается крайне редко, на первое место выходят такие факторы как гранулометрический состав, содержание углерода и емкость катионного обмена (EKO) (Johnson et al., 2001; Поздняков, 2009). Взаимосвязь этих свойств с электрическим сопротивлением, а также изменение этих свойств во времени, в сочетании с низкой буферностью и высокой чувствительностью к внешним воздействиям у данного типа почв и определило актуальность и практическую значимость представленной работы.

Целью данной работы явилась разработка комплексного подхода по оценке некоторых базовых свойств (гранулометрический состав, углерод, ЕКО), входящих в показатели степени окультуренности, почв легкого гранулометрического состава гумидной зоны методами электрофизики.

Задачи исследования:

1. Провести измерения базовых свойств, входящих в определение окультуренности почв: гранулометрического состава, ЕКО, гумуса, а также электрического сопротивления.

2. Выявить зависимости между электрическими параметрами (сопротивлением, электропроводностью) и указанными выше базовыми свойствами почв.

3. Разработать подходы в использовании полученных зависимостей для оценки топографии распределения свойств и оценки отдельных показателей окультуренности.

4. На основе зависимостей электрических параметров от базовых свойств почв выявить системы уравнений для оценки некоторых свойств, входящих в показатели степени окультуренности почв легкого гранулометрического состава гумидной зоны электрофизическими методами.

5. Провести проверку работоспособности полученных зависимостей на основе оценки ряда производственных участков по основным свойствам, входящим в показатели окультуренности электрофизическими методами.

6. Проанализировать состояние вопроса об оценке окультуренности почв легкого гранулометрического состава гумидной зоны.

7. Подобрать объекты с разной степенью окультуренности и как следствие с разным набором значений свойств в пределах доступных объектов исследования. Изучить литературные данные о специфике строения и свойствах почвенного покрова таких почв, в первую очередь I яруса агрокатены Клинско-Дмитровской гряды.

8. На основе выполненной научно-практической работы, предоставить вариант возможного использования электрических показателей для введения систем точного земледелия на территории РФ.

Научная новизна

В работе впервые были получены и проанализированы зависимости электрического сопротивления от содержания физической глины, емкости катионного обмена и содержания углерода для почв легкого гранулометрического состава гумидной зоны. Установлено, что взаимосвязь между электрическим сопротивлением и данными свойствами имеет вид экспоненциальной зависимости вида у=а*ехр(-Ьх), где а и Ь коэффициенты; у-электрическое сопротивление, Ом*м; х - значение свойства. А в случае с электропроводностью зависимость по внешнему виду приближается к прямолинейной зависимости. Впервые получены математические модели для каждой пары электрическое сопротивление - свойство для почв легкого гранулометрического состава гумидной зоны.

Использование полученных экспоненциальных уравнений при анализе и трактовке результатов обследования почв электрофизическими методами и предложенный подход выбора изоомов (изогнутые линии, отображающие границы значений в единицах Ом*м) дает возможность выявления конкретной топографии распределения почв.

Полученные результаты полезны при изучении топографии распределения свойств почв в пределах поля.

На основе полученных зависимостей, построены системы уравнений для оценки некоторых свойств, входящих в показатели степени окультуривания почв легкого гранулометрического состава гумидной зоны электрофизическими методами. Установлена возможность использования электрического сопротивления, как экспресс-метода оценки некоторых свойств, входящих в показатели степени окультуренности данных почв, отличающихся различным сроком освоения. Под временем освоения понимался промежуток времени, в течение которого данный массив использовался в сельском хозяйстве. При этом в силу невозможности проследить интенсивность использования данных почв в течение длительного срока, основным признаком, по которому различались выбранные участки, принимали возраст их освоения.

Практическая значимость

Практическая значимость работы заключается в полученных методических подходах по установлению экспериментальных зависимостей с целью получения систем уравнений для оценки некоторых свойств.

Предложенный подход выбора изоом дает возможность выявления относительно однородных участков по таким важным характеристикам, как содержание общего углерода, емкость катионного обмена, гранулометрический состав.

Представленные результаты полезны при комплексном почвенно-ландшафтном обследовании, проектировании агротехнологий, составлении электронных почвенных карт, карт полей севооборотов, автоматизации различных приемов растениеводства и других вопросов по разработке точного и ландшафтно-адаптивного земледелия.

Использование данных систем уравнений позволяет в короткие сроки с минимальным количеством затрат провести крупномасштабное обследование территории. Определить базовые свойства почв (гранулометрический состав, содержание углерода и ЕКО) по полученным значениям электрического

сопротивления, а также изменения этих свойств по площади в горизонтальном направлении.

Использование полученных систем уравнений в купе с измерением электрического сопротивления на изучаемой территории позволяет также провести экспресс-оценку выбранного объекта, а также классифицировать объект по некоторым свойствам, входящим в показатели степени окультуренности почвы.

ГЛАВА 1. ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ В ПОЧВОВЕДЕНИИ

1.1. Роль электрофизических исследований в почвоведении

Одной из основных задач в рамках развития почвоведения остается исследование физического состояния почв разных генотипов. Необходимой задачей, при этом, является выявление современных методов изучения почв, позволяющих производить учет всего комплекса факторов, влияющих на плодородие почвы, а также на рост и развитие сельскохозяйственных культур (Боровинская, 1970-1984; Anderson-Cook et al., 2002; Atherton et al., 1999; Федотов, Поздняков, 2004).

Сейчас трудно представить любую отрасль науки и техники без использования современных, хорошо себя зарекомендовавших технологий. Точно также в современных подходах к исследованию земельных угодий нуждается и сельское хозяйство (Corwin, Fesch, 2003). Необходимы научно обоснованные методы и подходы получения быстрой и оперативной информации по агропочвенному состоянию природных ландшафтов и сельскохозяйственных угодий. Это позволит достаточно оперативно производить необходимый комплекс почвенно-мелиоративных мероприятий, при необходимости мобилизовать материальные ресурсы земледелия, а также производить прогнозные заключения для оценки продуктивности растений, что, несомненно, является основным условием для конструирования ландшафтно-адаптивных систем земледелия (Corwin, Lesch, 2003,2005; Поздняков, Позднякова, 2004).

С учетом всех поставленных и интересующих задач на первое место выходят физические характеристики почв, определяющие такие важные для растений параметры, как плотность почвы, гранулометрический состав, воздушный и тепловой режимы почв и др. Однако, все основные физические характеристики требуют довольно трудоемких и продолжительных по времени исследований. Поэтому становится актуальным вопрос о поиске такого

физического параметра почвы, который характеризовал бы физическое состояние почвы, а также мог быть получен оптимальным способом, желательно довольно оперативно и мобильно (Березин, Кипнис, 1978; Бурсиан, 1972; Вадюнина, Поздняков, 1974).

Таковым физическим фактором наряду с другими можно считать электрофизические свойства почвы, в частности удельное электрическое сопротивление (или его обратную величину - электропроводность), принимая во внимание, что электрическое сопротивление базовый параметр не только электрофизики, но и физики тел в целом (Жевелева и др., 1986).

На сегодняшний день удельное электрическое сопротивление почвы это фактор, коррелирующий со свойствами почвы, затрагивающими урожайность, включая структуру почвы, способность обмена катиона, условия дренажа, уровень органического вещества, засоленность и особенности нижележащих горизонтов (Grisso et al., 2009; Corwin, Lesch, 2005).

Фермеры, практикующие точечное сельское хозяйство, могут получить с помощью его более подробную информацию о пространственных особенностях сельскохозяйственных угодий, чем когда-либо прежде. Электрическое сопротивление почв является одним из самых простых, наименее дорогих измерений почвы, доступных фермерам точного земледелия на сегодня. Измерение электрического сопротивления может за более короткое время пре