Scientific journal

International Journal of Applied and fundamental research

ISSN 1996-3955

ИФ РИНЦ = 0,593

Проблеме исследования пространственно-временной изменчивости почвенных свойств уделяется в настоящее время 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. Для реализации стратегии точного земледелия (ТЗ) необходимо оценивать варьирование агротехнических показателей в принятой системе позиционирования, что способствует принятию оптимальных управленческих решений. Знания о пространственной и временной изменчивости параметров плодородия позволят выполнять операции воздействия на них в нужном месте и в необходимом количестве. Эффективность точного земледелия будет во многом зависеть от того, как быстро и точно мы сможем определять эти показатели. Частота измерений (пространственная и временнaя) зависит от того, какова вариабельность измеряемого показателя [1]. Точное земледелие обязано своим появлением внедрением в сельскохозяйственное производство новейших достижений вычислительной техники и информационных систем. Возможность обработки данных по природным объектам с пространственно-распределенными характеристиками обеспечивает количественное описание пространственной изменчивости почвы, повышает точность оценок почвенных свойств, при интерполяции данных, а также служит основой для планирования рационального отбора почвенных проб [2]. Все это делает исследование латеральной изменчивости свойств почв, особенно склоновых, весьма актуальной в плане концепции адаптивно-ландшафтного и точного земледелия.

Цель работы: дать оценку пространственной неоднородности водно-физических свойств комплекса деградированных почв Предсалаирья.

Материалы и методы исследования

Исследования проводились на Усть-Каменском стационаре Института, расположенном в лесостепной зоне, в пределах Буготакского мелкосопочника, являющегося частью Предсалаирской денудационно-аккумулятивной равнины. В качестве объекта исследований в 2018–2019 гг. рассматривался и анализировался сопряженный ряд почв, расположенных на выпуклом склоне юго-западной экспозиции. Топография склона представлена на рис. 1.

Длина склона в направлении с севера на юг в сторону р. Ирбочки 400 м, перепад высот 16–17 м. Уклоны от 10 в верхней части склона до 60 – в нижней. Кроме того, отмечаются небольшие до 1,50 уклоны в западном и юго-западном направлениях.

Основу почвенного покрова склона составляют оподзоленные черноземы (60 %), занимающие водораздельные участки, верхнюю и среднюю часть склона. Они геохимически сопряжены с темно-серыми почвами, приуроченными к нижней трети склона. На их долю приходится 39 % площади. Склон распахан и используется под посевы сельскохозяйственных культур, в основном зерновых.

Вдоль склона была проложена трансекта длиной 280 м, по которой через каждые 15 м измерялась высота точки, мощность гумусового горизонта, глубина залегания карбонатов и влажность профиля глубиной до 1 м через каждые 10 см. Кроме того, были заложены три площадки размером 10х10 м, на которых по регулярной сетке с шагом 2,5 м (25 точек) проводилась нивелирная съемка, определялись плотность и влажность пахотного горизонта. Одна площадка располагалась в верхней части склона – почва чернозем оподзоленный слабосмытый, вторая – в средней части склона на темно-серой лесной почве среднесмытой, третья – в нижней части склона серая лесная сильносмытая. Плотность определялась буриками Качинского объемом 100 см3, влажность – термостатно-весовым методом.

Результаты исследования и их обсуждение

Результаты исследований по трансекте представлены на рис. 2. Следует сразу отметить, что весь склон вдоль трансекты по всем показателям делится на две части (табл. 1). По рельефу: примерно до 140 м поверхность плавно понижается с перепадом высот 4 м (коэффициент вариации 1,56 %). Во второй половине перепад высот составил 9 м. К тому же на поверхности второй половины наблюдается большое количество микроповышений и микрозападин, которые разрывают единые потоки воды и приводят к перераспределению зон эрозии и аккумуляции. Коэффициент вариации при этом возрос до 13,5 % (табл. 1).

Рис. 1. Топография склона 400х400 м, рассматриваемого в качестве объекта исследования: А – горизонтали по отметкам высот над уровнем моря; Б – уклоны поверхности

Таблица 1

Статистические характеристики морфологических признаков почв

Рис. 2. А – кривые сопряженного колебания поверхности, мощности гумусового горизонта и глубины залегания карбонатов вдоль склона (256…240 – отметки высот над уровнем моря; Б – распределение увлажнения профиля глубиной 1 м по трансекте вдоль склона ( направление уклона)

По мощности гумусового горизонта верхняя и нижняя части склона в пределах трансекты также отличаются друг от друга. В верхней половине, где преобладают черноземы, средний показатель составляет 40,6 см, размах колебаний 18 см и коэффициент вариации 17 %. В нижней половине средняя мощность горизонта составляет 32,8 см при размахе колебаний 15 см и коэффициенте вариации 18,7 %. Такие колебания показателей свидетельствуют, как об увеличении доли серых лесных почв в нижней части трансекты, так и о нарастании степени смытости, что подтверждают ранее проведенные исследования на этом склоне [3].

Далее, глубина вскипания – весьма показательный морфологический признак почв, связанный с особенностями миграции влаги в почвенном профиле. И здесь также наблюдаются различия статистических характеристик верхней и нижней частей склона. В верхней части склона среднее значение глубины вскипания составляет 104,8 см. Максимальные значения не превышают 115 см, колебание показателей незначительное – 8,8 %. Во второй половине картина совершенно другая. Среднее значение возросло до 126,3 см при максимуме 157 см. Коэффициент вариации увеличился в 2,5 раза, размах колебаний составил 70 см против 30 см в верхней части склона.

Такая картина изменчивости глубины залегания карбонатов могла, на наш взгляд, сложиться в результате фрагментации поверхности склона, о которой говорилось выше (коэффициент корреляции глубины вскипания с микрорельефом составил –0,44). В нашем случае стекающая по склону во время снеготаяния или при обильных осадках влага могла задерживаться в микрозападинах, переводя боковой поверхностный сток в вертикальный внутрипочвенный. Это, в свою очередь, приводило к выщелачиванию карбонатов и понижению линии вскипания (рис. 2, А).

Подтверждает это предположение и увлажнение вертикального профиля трансекты (рис. 2, Б). Отчетливо выделяется повышенное увлажнение профиля в районе выделенных микрозападин, и если в верхней части склона, где рельеф выровнен, увлажнена только 50 см толща, то ниже по склону повышенное увлажнение наблюдается и в слое 50–100 см. Запасы влаги в метровой толще верхней половины склона на конец июня составили в среднем 283 мм, ниже по склону – 312 мм, в микрозападинах от 320 до 340 мм. Коэффициент корреляции с микрорельефом составил –0,69. Таким образом, установлено, что на перераспределение влаги по склону помимо направления и величины основного мезосклона, большое влияние оказывает микрорельеф склоновой поверхности.

Далее, рассмотрим вариабельность относительных отметок превышения поверхности, плотности и влажности пахотного горизонта в верхней, средней и нижней частях склона. На рис. 3 представлена нивелирная съемка поверхности трех площадок.

Показано, что максимальный перепад высот площадки 1, расположенной в верхней части склона (чернозем оподзоленный слабосмытый), составляет 34 см, направление наклона поверхности приблизительно 450 к направлению трансекты. Перепад высот в направлении трансекты – 13 см. На площадке 2, в средней части склона (серая лесная среднесмытая), направление наклона практически совпадает с направлением трансекты, перепад высот – 68 см. В правом нижнем углу отмечается микрозападина глубиной 20 см, поэтому общий перепад высот составляет 98 см. В нижней части склона (площадка 3) перепад высот составляет уже 105 см. Соответственно возрастают и углы наклона поверхности.

В табл. 2 представлены статистические характеристики плотности экспериментальных площадок. Установлено, что плотность пахотного горизонта чернозема слабосмытого (площадка 1) колеблется в пределах 0,86–1,14 г/см3 при среднем показателе 0,98 г/см3. Размах колебаний 0,28 г/см3. Коэффициент вариации плотности – 8,0 %.

Рис. 3. Результаты нивелирной съемки поверхности экспериментальных площадок 1, 2 и 3: 0–105 отметки превышения; направление трансекты; направление уклона

Таблица 2

Статистические характеристики плотности пахотного слоя экспериментальных площадок

Рис. 4. Топоизоплеты объемной массы (г/см3) пахотного слоя экспериментальных площадок 10х10 м; 1 – верхняя часть склона (чернозем оподзоленный слабосмытый), 2 – средняя часть склона (темно-серая лесная среднесмытая), 3 – нижняя часть склона (серая лесная сильносмытая)

Плотность пахотного горизонта расположенной ниже по склону темно-серой лесной среднесмытой почвы (площадка 2) составила в среднем 1,04 г/см3, при этом она варьировала от 0,87 до 1,21 г/см3. Размах колебаний 0,34 г/см3 – это в 1,2 раза больше, чем в черноземе. Коэффициент вариации также больше – 9,4 %. Плотность пахотного горизонта площадки 3 (серая лесная сильносмытая) варьирует в еще более широких пределах. Средние показатели колеблются от 1,15 г/см3 до 1,37 г/см3, коэффициент вариации – 10,4 %. Топоизоплеты плотности, представленные на рис. 4, наглядно демонстрируют различия пространственного распределения плотности трех площадок. Установлено, что варьирование показателей зависит от площади опробования: при увеличении площади опробования коэффициент вариации возрастает. В наших опытах 2018 г. [4] коэффициент вариации плотности пахотного горизонта площадки 1х1 м составил 7 %, а площадки 5х5 м – 9,2 %. В 2019 г. на площадках 10х10 м вариабельноость менялась от 8 до 10,4 % в зависимости от расположения площадок по рельефу.

Влажность в процентах от объема на момент определения плотности для первой площадки в среднем составила 34,1 %, при изменении от 27,9 до 38,4 %. Вариабельность – 10,5 %. Пахотный горизонт темно-серой почвы был более влажным. Средний показатель – 36,3 %. Размах колебаний от 28,9 % до 40,8 %. Коэффициент вариации – 11,9 %.

Кроме того, мы представили статистические характеристики в виде диаграмм размаха, так называемых Box Рlot (рис. 5). Этот способ представления и сравнения групп данных в графическом виде является достаточно удобным.

Рис. 5. Статистические параметры распределения значений плотности пахотного слоя экспериментальных площадок

Помимо того, что на графике видны все ключевые значения (средние показатели, медиана и т.д.), можно наглядно оценить симметричны ли данные, насколько плотно они сгруппированы, как и в каком направлении они смещены. В нашем случае по плотности четко видно разницу между площадками. Более высокие значения средних по объемной массе на второй и третьей площадках сформировались не только за счет увеличения максимума при практически одинаковых минимумах, но и за счет группировки 50 % значений в более высоком диапазоне плотностей.

Возрастание средних и медианы вниз по склону свидетельствует об увеличении плотности пахотного горизонта вниз по склону, а увеличение общего и квартильного размаха говорит о большей неоднородности и контрастности уплотнения пахотного горизонта на второй и третьей площадках по сравнению с первой, что, в свою очередь, может объясняться усилением микрозападинности рельефа.

Выводы

В результате проведенных исследований установлено, что рассматриваемый склон по целому ряду показателей можно разделить на две части. Верхняя часть (примерно до 140 м) пологая с уклоном 1,50 в основном на юго-запад, с ровным характером поверхности, с преобладанием черноземов слабосмытых. В нижней части, где преобладают серые лесные средне- и сильносмытые почвы, уклоны достигают 60 с направлением в основном на юг; поверхность отличается наличием большого количества микрозападин и микроповышений; пахотный горизонт более плотный и влажный. Вариабельность плотности, влажности, мощности гумусового горизонта, глубины залегания карбонатов достоверно выше, чем в верхней части склона. Согласно «Общесоюзной инструкции по почвенным обследованиям и составлению крупномасштабных почвенных карт землепользования» земли верхней части исследуемого склона следует отнести ко II категории эрозионности – земли интенсивного использования с преобладанием слабосмытых почв, а земли нижней части склона – к III категории – земли умеренного использования с преобладанием среднесмытых почв [5]. Это не может не накладывать определенного отпечатка на агротехнику поля в целом. Если в верхней части склона достаточно обычной безотвальной обработки строго поперек склона, то в нижней – использование земель в пашне должно осуществляться в системе противоэрозионных мероприятий с исключением пропашных культур, расширением посевов многолетних трав и зернобобовых, а также заменой чистого пара сидеральным.

Работа выполнена по государственному заданию ИПА СО РАН.