Одной из фундаментальных и неотъемлемых характеристик почв является ее вариабельность и вариабельность ее свойств, как в пространстве, так и во времени. Проблема пространственной вариабельности почвенных свойств до недавнего времени представляла лишь теоретический интерес, так как, с одной стороны, ее изучение требовало слишком больших затрат, связанных с получением первичной информации, а с другой – не существовало практической потребности в подобной информации. Однако сегодня ситуация изменилась – возникло новое направление в развитии агротехнологий – «точное земледелие», обязанное своим появлением внедрением в сельскохозяйственное производство новейших достижений вычислительной техники, информационных систем. Возможность обработки данных по природным объектам с пространственно распределенными характеристиками обеспечивает количественное описание пространственной изменчивости почвы, повышает точность оценок почвенных свойств, а также служит основой для планирования рационального отбора почвенных проб [1].
Водно-физические свойства почв, в частности плотность и влажность – одни из важнейших физических характеристик почвы, которые обуславливают водный и воздушный режимы, как прямо, так и косвенно влияя на почвенное плодородие. Кроме того, это весьма динамические показатели. Их изменчивость в пространстве обусловлена целым комплексом факторов, изучение которых определило актуальность представленных исследований в конкретных условиях Предсалаирья, где подобного рода исследований не проводилось.
Результаты исследований могут быть реализованы при разработке современных агротехнологий, ориентированных на использование принципов ландшафтного и точного земледелия, а также при решении важных практических задач в области агрофизики, мелиорации, экологии [2].
Целью исследований явилось изучение и оценка пространственной изменчивости плотности и влажности серых лесных почв Предсалаирья.
Материалы и методы исследования
Исследования проводились в пределах Новосибирского Предсалаирья, расположенного в лесостепной зоне, на территории Буготакского мелкосопочника, являющегося частью Предсалаирской денудационно-аккумулятивной равнины. В качестве объекта исследований послужила темно-серая лесная почва, на долю которой в Предсалаирье приходится около 40 % площади. По гранулометрическому составу – это средний суглинок иловато-крупнопылеватый, характеризуется удовлетворительной микро- и плохой макрооструктуренностью. Особенности состава порозности обусловливают повышенную влагоемкость темно-серой почвы. В метровом слое она способна удержать около 300 мм влаги.
Две экспериментальные площадки на темно-серых почвах, размерами 5х5 м и 1х1 м, были заложены на территории Усть-Каменского противоэрозионного стационара Института почвоведения и агрохимии СО РАН. Площадки заложены в краевой части ранее распахиваемого участка, но к настоящему времени находящемуся в залежном состоянии более 15 лет. На площадке 5х5 м параметры (плотность и влажность) определялись только для пахотного горизонта, на площадке 1х1 м – по горизонтам до глубины 80 см. Для установления содержания влаги в почвах использовался термостатно-весовой метод. Параллельно с традиционными методами определения влажности использовался измерительный комплекс «Decagon», состоящий из регистратора данных Ем50, датчиков ЕС-5 и программного обеспечения. Как оказалось, в использовании прибора существует методическая проблема, требующая решения и состоящая в том, что разработчиками предусмотрена возможность исключительно стационарного использования датчиков – для изучения динамики влажности в заданной точке почвенного профиля. Мобильный вариант применения датчиков ЕС-5, например – для изучения пространственной вариабельности почвенных свойств, разработчиками вообще не рассматривался. Вопрос этот, однако, является принципиальным и в более общей формулировке сводится, по существу, к выяснению возможности использования не только относительных, но и абсолютных значений показаний датчика для измерения влажности почв.
Плотность определялась буровым методом с использованием бура Качинского объемом 100 см3. Всего в полевых условиях было произведено 250 определений плотности и влажности и более 600 замеров показаний датчиков ЕС-5 измерительного комплекса «Decagon».. Кроме того, более 1000 показаний датчиков ЕС-5 получены в условиях лабораторного опыта с контролируемыми условиями по плотности и влажности. Для сравнения при расчете статистических параметров использовались данные по плотности и влажности, полученные в условиях сельскохозяйственного поля в 2016 г.
Результаты исследования и их обсуждение
Исследованиями установлено, что плотность пахотного горизонта в пределах экспериментальных площадок варьирует в достаточно широких пределах от 0,9 до 1,31 г/см3, при среднем показателе 1,04 г/см3. Интервал варьирования составляет 0,32 г/см3, коэффициент вариации 9,2 %. Результаты исследования пространственного распределения плотности на площадках 5х5 и 1х1 м представлены в виде топоизоплет (рис. 1 и 2), по которым установлен характер распределения плотности, выявлены участки концентрации значений, а также сделаны предварительные выводы о причинах такого варьирования свойств в опыте. Обращает на себя внимание более плотная правая половина площадки 5х5 м, что предположительно антропогенного происхождения и связано с историей использования данной части поля. Сравнение выборок по горизонтам (площадка 1х1 м) показало: абсолютные значения плотности колеблются от 1,02 г/см3 в пахотном горизонте до 1,5 г/см3 в нижележащих горизонтах. Вниз по профилю происходит уменьшение дисперсии и снижение коэффициента вариации с 7 до 2 % по мере увеличения средних с 1,18 до 1,42 г/см3). Среднестатистические показатели плотности слоя, лежащего под пахотным, оказались несколько ниже верхнего: 1,13 против 1,18 г/см3 (рис. 2). Здесь сыграло свою роль наличие большого количества кротовин в данном слое.
Рис. 1. Топоизоплеты плотности слоя 5–15 см экспериментальной площадки 5х5 м; 
направление уклонов площадки, а – превышение 19 см; б – превышение 7 см (Темно-серая лесная почва, июнь 2017 г.)
Рис. 2. Топоизоплеты плотности по слоям экспериментальной площадки 1х1 м (Темно-серая лесная почва, июнь 2017 г.)
Оценивая степень вариабельности плотности в наших исследованиях, сошлемся на выводы Е.А. Дмитриева [3], который утверждает, что при определении плотности почвы буриком объемом 100 см3 коэффициенты вариации редко превышают 10 %, а значение v = 1–3 % представляет собой вполне обычную величину, которую низкой считать нет особых оснований. Исходя из этого, вариабельность плотности экспериментальных площадок следует считать довольно высокой, при этом оптимальные значения плотности в пахотном горизонте (1–1,2 г/см3) преобладают.
Вариабельность влажности в опыте, особенно в пахотном горизонте, носила более сложный характер, поскольку зависела от погодных условий. Характер распределения влажности представлен на рис. 3, где четко видны колебания влажности до и после дождя.
Рис. 3. Распределение влажности в % от объема в пахотном горизонте экспериментальной площадки 5х5 м; А – термостатно-весовым методом, Б – по показаниям датчиков прибора; 1 – до дождя; 2 – сразу после дождя; 3 – через сутки после дождя
Общий уровень увлажнения был достаточно высок и находился в пределах ВРК–НВ. Колебания средних показателей влажности составили от 24,5 % до дождя до 33 % после дождя (таблица).
Статистические показатели увлажнения пахотного горизонта экспериментальной площадки 25 м2 в зависимости от погодных условий
|
До дождя |
Сразу после дождя |
Через сутки |
В среднем |
|
|
Средние |
24,5* 19,3 |
33,2 25,4 |
28,2 24,6 |
28,2 23,1 |
|
Мин. |
19,5 14,4 |
29,0 15,4 |
23,0 13,9 |
19,5 13,9 |
|
Макс. |
27,5 24,2 |
36,7 32,2 |
31,7 37,6 |
36,7 37,6 |
|
Интервал варьирования |
8,0 9,8 |
7,7 16,8 |
8,7 13,7 |
17,2 23,7 |
|
Дисперсия |
3,03 5,2 |
3,13 26,2 |
4,75 31,9 |
15,2 28,1 |
|
Коэф.вариации, % |
7,1 11,8 |
5,2 26,2 |
7,7 23,0 |
13,8 22,9 |
Примечание. * в числителе влажность, определяемая термостатно-весовым методом, в знаменателе – по показаниям измерительного комплекса «Decagon».
Основными показателями, характеризующими степень однородности участков, считаются дисперсия и коэффициент вариации. Их можно использовать в качестве первого приближения для разделения участков на однородные и неоднородные в отношении того или иного свойства. В таблице представлены статистические показатели увлажнения – до дождя, сразу после дождя, через сутки после выпадения осадков и в среднем за три периода. До дождя коэффициент вариации составлял 7 %. Сразу после дождя распределение влажности становится более выровненным и коэффициент вариации снижается до 5 %. Далее в период без осадков он снова поднимается до 7,7 %, что свидетельствует о неравномерности просыхания верхнего слоя почвы. Начиналось просыхание в первую очередь с верхней части площадки из-за уклонов поверхности (рис. 3), что подтверждает выводы о влиянии микрорельефа на изменчивость почвенных свойств, сделанные в ряде исследований. Так, в работе А.П. Сорокина [4] выявлены корреляционные зависимости между почвенными свойствами и рельефом. Корреляционный анализ показал хорошую зависимость для влажности слоя 0–10 см (Ккор 0,54). Нами ранее также был проведен анализ зависимости увлажнения профиля от микрорельефа в Приобье на орошаемых черноземах. Ккор составил 0,49. Таким образом, с учетом временного колебания показателей влажности дисперсия в целом по участку составила 15,2, а коэффициент вариации – 13,8 %.
Показания датчиков прибора варьировали в значительно более широких пределах, хотя общие тенденции, связанные с погодными условиями сохранились (таблица, рис. 3). Согласно технической документации, заводская градуировка приборов с высокой степенью точности может рассматриваться как «универсальная», т.е. – зависящая только от влажности почвы. Однако диэлектрическая постоянная, которую и измеряют датчики прибора зависит не только от влагосодержания почвы но также и от ее плотности, температуры, структуры, что требует специального исследования, постановки лабораторных и полевых опытов.
В наших исследованиях в лабораторных и полевых опытах были изучены зависимости диэлектрической проницаемости от влажности и плотности и подобран ряд аппроксимирующих их математических моделей, что показало возможность использования датчиков в качестве мобильных щупов при изучении пространственной вариабельности влажности почв. Выбор конкретной модели (градуировки) датчика следует проводить в зависимости от решаемой задачи.
В относительно сухой период средние показания прибора составляли 19,3 %, после дождя возросли до 25,4 %. При этом после дождя почти в два раза вырос интервал варьирования –16,8 % против 9,8 %, увеличилась дисперсия до 26,2 % против 5,2 %, а коэффициент вариации возрос до 26,2 % против 11 % до дождя (таблица). Погоризонтная влажность по показаниям датчиков прибора различалась незначительно – средние показатели 30–39 %. Однако интервал варьирования, в отличие от термостатно-весового метода, значительно выше – 15–16 %. Также значительно выше дисперсия, которая закономерно уменьшается вниз по профилю от 13,7 до 7,8, и коэффициент вариации снижается по профилю от 12,3 до 7,1 %.
Важным практическим выходом изучения вариабельности свойств является планирование объемов единичных выборок. Грамотно спланированным объемом можно считать такой, когда число повторностей достаточно для получения ответа с требуемой точностью и надежностью. Ставить задачу абсолютно точного планирования объемов выборок бессмысленно, но это совсем не значит, что планирование объемов вообще лишено какого-либо смысла, хотя бы потому, что объем выборки является одним из важнейших, а нередко единственным фактором, определяющим точность оценок и надежность выводов [3].
Используя расчеты, предложенные Е.А. Дмитриевым [3], нами было установлено, что объем выборки, способный обеспечить требуемую точность по плотности (Р0,05 = 5 %), составляет для данной экспериментальной площадки 16 образцов По влажности площадка более выровнена: при том или ином характере погоды необходимый объем выборки составит от 7 до 12.
Обобщая литературные данные о варьировании почвенных свойств, В.П. Самсонова [5] показывает, что одни и те же свойства в зависимости от способа опробования могут иметь различные коэффициенты вариации, а распределения могут аппроксимироваться разными статистическими законами. Варьирование будет также зависеть от площади опробования: при увеличении площади опробования коэффициент вариации возрастает [5]. В нашем опыте коэффициент вариации плотности пахотного горизонта площадки 1х1 м составил 7 %, а площадки 5х5м – 9,2 %. В 2016 г. нами определялась плотность и влажность на части сельскохозяйственного поля, представляющего собой комплекс черноземов и серых лесных почв. Влажность определялась в динамике в течение вегетационного периода. Мы использовали эти данные для сравнения. Так, по плотности средние показатели в поле выше (1,19 г/см3 против 1,04). Размах колебаний различается незначительно (0,38 и 0,43 г/см3
соответственно), а коэффициент вариации выше, чем на площадке 5х5 м – 10,9 % против 9,2 %. Все показатели варьирования влажности также были выше в условиях части сельскохозяйственного поля. В относительно сухой период пространственная изменчивость в поле составляла 13,5 % (площадка – 7,1 %). При выпадении осадков показатели снижались, но различие по-прежнему оставалось (12,9 и 5,2 % соответственно). С учетом временного фактора вариабельность влажности в поле возросла до 29,4 %, что почти в 2 раза выше, чем на площадке. Это объясняется тем, что временной диапазон в поле был значительно шире.
Заключение
Таким образом, в результате проведенных исследований установлено, что пространственная вариабельность плотности темно-серой лесной почвы в пределах экспериментальных площадок достаточно высокая и колеблется от 7 до 9,2 % в зависимости от площади опробования. Объемы выборки при таком уровне вариации должны составлять от 10 до 16 образцов. В условиях части сельскохозяйственного поля коэффициент вариации еще выше – 10,9 %. Вариабельность влажности площадки сильно колебалась в зависимости от погодных условий от 8 % в относительно сухой период до 4 % сразу после выпадения осадков. При расширении временного диапазона наблюдений в условиях части сельскохозяйственного поля она увеличилась до 29,4 %.
Использование измерительного комплекса «Decagon» с датчиками влажности ЕС-5 показало реальную возможность мобильного использования данного прибора при изучении пространственной вариабельности. Для этих целей подобраны ряд математических моделей градуировки датчиков.