CC BY
45
Динамика температуры почвы в агролесоландшафтах при формировании биопродуктивности сельскохозяйственных культур
О.В. Рулёва, д.с.-х.н., Н.Н. Овечко, н.с., ФГБНУ ВНИАЛМИ
Решающую роль в процессе развития растений играют водно-воздушный режим почв и метеорологические условия. Среди метеорологических факторов нами изучалась температура почвы.
При отсутствии или слабом развитии растительного покрова за счёт повышенной теплоёмкости и теплопроводности почвы на облесённых полях происходит её большее прогревание, чем без лесных полос (ЛП). Средняя дневная температура поверхностных слоёв почвы (до глубины 20 см) в зоне влияния полос в основном выше на 0,5—2°С [1].
С ростом сельскохозяйственных культур тепловой режим почвы на защищённых и незащищённых участках поля начинает изменяться. При слабо развитом растительном покрове соотношение температур на межполосных клетках такое же, как на пару, т.е. почвы теплее. Затем разница с открытым полем начинает сглаживаться. Во второй половине вегетационного сезона температура почвы на полях среди полос становится ниже, чем в открытой степи, так как более высокий стеблестой под защитой полос сильнее затеняет почву. Средняя дневная температура почвы до глубины 30 см на защищённых полях оказывается ниже, чем в открытой степи, на 0,5—2°С и более [2].
На полях среди полос температура почвы имеет выровненный характер. Так, в Азербайджане средняя разность температур на поверхности почвы и на глубине 30 см в пределах защищённого хлопкового поля составляла в июле 4,9—6,8, а на участке без полос — 10,3°С [3]. Следовательно, корневые системы растений на незащищённых полях подвержены в течение суток более значительным колебаниям температуры почвы. Снижение температуры, уменьшение амплитуды колебаний её в верхнем слое почвы создаёт во второй половине вегетации растений лучшие условия для произрастания сельскохозяйственных культур на облесённых полях.
Материал и методы исследования. Исследование было проведено в течение трёх лет на Ростовской опытно-мелиоративной станции. Лесная полоса из акации белой, семирядной, высотой 10 метров, уплотнена смородиной золотой. Расстояние между основными лесными полосами 500 м. Почвы опытного поля представлены предкавказскими слабо-выщелоченными среднемощными карбонатными тяжелосуглинистыми чернозёмами на лёссовидных суглинках. Не засолённые. Содержание гумуса в пахотном слое 0—30 см — 3,4—4,0%. Межполосная клетка представлена экологической системой с условными границами агроценоза, отделённой
лесными полосами. Температуру почвы определяли на глубине от 5 до 20 см термометром Савинова [4].
При существовании зависимостей показателей температуры почвы Y(i) от условно разделённой экологической системы на некоторые пункты наблюдений X) возникает возможность оценить их в рамках математической модели. Нами высказана гипотеза, что наблюдаемые величины Y{Y1, Y1, Y3 ... Х1}; Х{Х5, Х10, Х15, Х20, Х30} связаны между собой линейной регрессионной зависимостью вида
X = В1-Х + Во + е№, 0 < i < п, (1)
где Y(i) — показатели температуры почвы на разных расстояниях от лесной полосы (Х5 ... Х30); В1, В0 — неизвестные константы. е№ — ненаблюдаемые случайные величины со средним 0 (т.е. являются несмещёнными) и неизвестной дисперсией, не меняющейся от опыта к опыту.
В постановку задачи входит оценка параметров модели В1, В0 по наблюдаемым и Y(i) значениям наилучшим образом, построение доверительного интервала для В1, В0, проверка гипотезы о значимости регрессии; оценка степени адекватности модели.
Результаты исследования. Температура почвы осенью под защитой ажурной полосы в зоне до 20Н без растительного покрова очень изменчива. В 8 час. она меньше, чем на контроле, на 0,8—1,8°С (рис. 1а). В 13 час. температура почвы на глубине 5—20 см уменьшается с 11,1°С (5Н под влиянием защитных лесных насаждений) до 9,2°С — на контроле (30Н). Разница составляет почти 2 раза. В 18 час. сохраняется та же тенденция, т.е. за счёт отепляющего действия ЛП температура под влиянием защитных лесных насаждений (ЗЛН) выше, чем на контроле. В результате регрессионного анализа была получена экспоненциальная зависимость изменения температуры почвы от расстояния до лесных полос, описываемая уравнением
у = а ■ е-Ьх, (2)
где е — основание натуральных логарифмов;
а и Ь — коэффициенты, определяющие угол наклона и изгиба кривой (табл. 1).
Коэффициент детерминации в 8 час. R2 = 0,51, в 13 час. - R2 = 0,84, в 18 час. - R2 = 0,99.
В апреле температура почвы под ЗЛН была выше, чем на контроле, в 1,3 раза (рис. 1б), т.е. за счёт понижения скорости ветра, отепляющего действия лесных полос температура почвы стабильнее под ЗЛН. Данные также можно описать экспоненциальной зависимостью (табл. 1). Коэффициенты детерминации R2 = 0,95-0,97 свидетельствуют об удовлетворительной аппроксимации, т.е. модель в целом адекватна описываемому явлению.
В мае температура почвы в 8 и 13 час. была выше на контроле, а в 18 ч. — ниже, чем под влиянием ЗЛН (рис. 1в). При увеличении массы растительной ассоциации (озимая пшеница) в регуляцию теплообмена поверхности почвы включается фитоценоз. Это значит, что внутри агроценоза создаётся микроклимат за счёт деятельности самих растений, за ночь разница в температуре выравнивается, и с 8 до 13 час. за счёт повышенной испаряемости лесной полосы и растений температура под влиянием ЗЛН на поле становится ниже, чем на контроле. К 18 час. она увеличивается по сравнению с контролем. Перепады температурного градиента на открытом пространстве выше, чем под влиянием ЗЛН. Температура почвы в экосистеме межполосного пространства была описана уравнениями экспоненциальной зависимости (табл. 1) с коэффициентами детерминации R2 = 0,78—0,92, что свидетельствует об удовлетворительной аппроксимации.
В июне растительная ассоциация озимой пшеницы достигла стадии созревания, фитомасса подсохла и утратила адаптивные свойства, что очень хорошо видно на графиках (рис. 1г). Если за счёт ЛП и её охлаждающего действия температура в 8 час. была ниже контрольных показателей, то к
13 час. она выровнялась по всему полю и только за счёт влияния ЛП носит экспоненциальный характер у = 27,27 ■ е-0,007х, т.е. температура почвы увеличилась.
Наиболее низкие коэффициенты детерминации приходятся на осень. В 8 час. он равен 0,51. Это связано, очевидно, с непосредственным влиянием температуры воздуха на почвенный покров, который меняется в зависимости от температурных показателей за день. Т. е. действие растительности, выступающей в виде буфера в другие месяцы, здесь не выявлено.
Регрессионный анализ позволил выявить форму зависимости между случайными величинами Y (зависимой) и значениями нескольких переменных величин. Причём значения независимых переменных точно заданы (Х5 ... Х30). Мы определили изменения между переменными экспоненциальной математической моделью с параметрами а и Ь (табл. 1) с 95-процентным доверительным интервалом. Проанализировав изменения температуры почвы в течение дня и сезона, выявив общие закономерности, для удобства дальнейшего анализа фактические данные были нормированы и сведены в корреляционную решетку.
14 13
О 12
со | 11
5 10
19 18 17
0
1 16
Т О С
15
£ л о.
¡К 14 г о I-
13 12 11
10 15 20 25 Расстояние от лесной полосы, Н
а)
30
10 15 20 25 30 Расстояние от лесной полосы, Н В)
- - 8 часов
18
16
14
12
10
35
5 10 15 20 25 Расстояние от лесной полосы, Н
30
б)
29 28 27
0
1 26 3"
о с
2. 25 ?
(О
| 24
2
0)
Н 23 22 21
35
13 часов
10 15 20 25 Расстояние от лесной полосы, Н Г)
- - -18 часов
30
Рис. 1 - Зависимость температуры почвы от расстояния до лесной полосы по временам года:
а - осень, б - ранняя весна (апрель), в - весна (май), г - лето (июнь)
35
■ ^ "Ч.
\ ■Ч
\ \
\ \
ч < " - „ -«%
___ -- Ч
-Ч
35
1. Параметры обобщённого уравнения экспоненциальной зависимости у = а- е-Ьх температуры почвы от расстояния до лесной полосы
Календарный месяц Время наблюдения, часы Параметры уравнений Коэффициент детерминации
а Ь
Осень (средние многолетние) 8.00 13.00 18.00 8,16 11,08 13,29 0,004 -0,006 -0,010 0,51 0,84 0,99
Апрель (средние многолетние) 8.00 13.00 18.00 10,72 14,67 15,92 -0,012 -0,017 -0,015 0,95 0,96 0,97
Май (средние многолетние) 8.00 13.00 18.00 12,30 16,71 18,60 0,004 -0,010 -0,008 0,92 0,78 0,90
Июнь (средние многолетние) 8.00 13.00 18.00 22,69 27,27 28,33 0,0006 -0,007 -0,006 0,79 0,80 0,81
1.10 1.05 1,00 0.95 0.90 0,85 0.80 0,75 0,70
у --88- = -0.116х+ Я- = 0 8*>С .0167 6
■ 1 —
у= 1.04 11-= С )8е-0 314х .9667
0,2 0.4 0.6 0.8 1
Нормированное расстояние до лесной полосы, Н
- Средняя температура за сезон — И- Средняя температура за октябрь
Рис. 2 - Средняя температура почвы на объекте исследования
На их основе построены графики (рис. 2). Уравнение изменения температуры почвы, находящейся под агроценозом озимой пшеницы под влиянием 7-рядной лесополосы на Ростовской опытно-мелиоративной станции за вегетационный сезон (апрель — июнь), имеет вид: у = 1,0408 • е-0,314х с коэффициентом детерминации R2 = 0,97, что свидетельствует об удовлетворительной аппроксимации, т.е. модель адекватна описываемому явлению. Первоначально высказанная гипотеза о линейности наблюдаемых величин Y{Y1, Y1, Y3 ... Х1}; Х{Х5, Х10, Х15, Х20, Х30} подтвердилась частично. Получено уравнение температуры почвы за октябрь вида у= -0,116х+ 1,0167 с коэффициентом детерминации R2 = 0,85. За сезон средняя температура почвы описывается экспоненциальной зависимостью. Как было описано выше, здесь играет роль влияние лесной полосы, которая изменяет динамику температуры почвы.
Достоверность полученного уравнения была подтверждена и дисперсионным анализом. В задачу нашего описания входило сравнить дисперсию, обусловленную случайными причинами, с дисперсией, вызываемой наличием исследуемого фактора. Если они значимо различаются, то счита-
ют, что фактор оказывает статистически значимое влияние на исследуемую переменную. Значимость различий проверяют и по критерию Фишера. Влияние случайной составляющей характеризует внутригрупповая дисперсия, а влияние изучаемого фактора — межгрупповая. Критерий Фишера считается значимым, если Р-значение <0,05.
Дисперсионный анализ статистических данных по температуре почвы с растительным покровом показал, что отличия по сезонам года отсутствуют Р = 0,08, что больше 0,05 (табл. 2). Существенное влияние на показатели температуры почвы имеет только лесная полоса и расстояние в межполосном пространстве, так как Р = 0,004 (табл. 3). В полученном экспоненциальном уравнении критерий Фишера значим и влияние лесной полосы на температуру почвы, описываемое за вегетационный сезон (апрель — июнь) по экспоненциальной зависимости является доказанным.
Выводы. Анализ литературных источников и собственные исследования показали, что изучение почвенного покрова и температуры приземных слоёв воздуха достаточно сложно и проводится, как правило, при различных условиях погоды, состояниях приземного слоя атмосферы, времени
2. Дисперсионный анализ статистических данных по температуре почвы с растительным покровом (вегетационный сезон) и без него (осень)
Группа Счёт Сумма Среднее Дисперсия
Апрель 5 4,08 0,816 0,015
Май 5 4,59 0,918 0,003
Июнь 5 4,66 0,932 0,002
Средняя за сезон 5 4,41 0,882 0,008
Осень 5 4,77 0,954 0,002
Источник вариации SS df MS F P-Значение F критическое
Между группами 0,058 4 0,015 2,449 0,08 2,87
Внутри групп 0,119 20 0,006
Итого 0,177 24
3. Дисперсионный анализ статистических данных по температуре почвы в экосистемном пространстве
Группа Счёт Сумма Среднее Дисперсия
5 Н 5 5 1 0
10 Н 5 4,63 0,926 0,002
15 Н 5 4,46 0,892 0,003
20 Н 5 4,3 0,86 0,006
35 Н 5 4,12 0,824 0,011
Источник вариации SS df MS F P-Значение F критическое
Между группами 0,091 4 0,023 5,234 0,004 2,86
Внутри групп 0,086 20 0,004
Итого 0,177 24
года, под влиянием ЛП различной рядности, породного состава, конструкции, мощности стеблестоя сельскохозяйственных культур и т.п. Поэтому качественные оценки будут иметь ту или иную степень субъективизма, только лишний раз доказывая сложность изучаемого явления. Количественная интерпретация исследуемого процесса на основе экосистемного подхода с выделением главенствующей роли лесной полосы как экологического фактора, растительного ценоза, как наиболее тесно связанного с почвой элемента структуры экосистемы, позволяет учесть наиболее существенные факторы, определяющие динамику температуру почвы. Обобщая ранее полученные экспериментальные данные и теоретические предпосылки, следует заключить, что лесные полосы на защищённых полях, ослабляя скорость ветра, вертикальный обмен и горизонтальный перенос тепла, уменьшая затраты тепловой энергии на испарение, в большинстве
своём способствуют повышению температуры почвы в дневные часы. Косвенным подтверждением служит ускорение темпов развития растений на полях, находящихся под влиянием ЗЛН. Кроме того, без растительного покрова влияние лесных полос на температуру почвы межполосного пространства прямолинейно, а в течение вегетации изменяется по экспоненциальной зависимости.
Литература
1. Рулева О.В. Биопродуктивность орошаемых агролесоланд-шафтов юга Европейской России: автореф. дисс. ... докт. с.-х. наук. Волгоград, 2005. 47 с.
2. Буков А.С., Лабазников Б.В. и др. Влияние лесных полос на микроклимат, сохранность и повышение урожайности сельскохозяйственных культур // Труды АзербНИИЛХ. Барда, 1964. Т. 5. С. 1163-1168.
3. Лабазников Б.В. Влияние полезащитных лесных полос на микроклимат, рост, развитие и урожайность хлопчатника в орошаемой зоне сухих субтропиков Азербайджана: автореф. дисс. ... кан,д. с.-х. наук. Волгоград, 1965. 20 с.
4. Павлова М.Д. Практикум по агрометеорологии: Л.: Гидро-метеоиздат, 1974. 168 с.
Среднемасштабное цифровое картографирование агролесомелиорированных тёмно-каштановых почв в эрозионных агроландшафтах Волгоградской области
А.В. Кошелев, к.с.-х.н, ФГБНУ ФНЦ агроэкологии РАН
Агролесоландшафты сухостепной и полупустынной зон Европейской части РФ находятся в условиях засушливого климата на деградированных малопродуктивных почвах, остро реагирующих на антропогенную нагрузку. На сегодняшний день
накоплен огромный опыт по стабилизации агро-ландшафтов посредством использования защитных лесных насаждений (ЗЛН), функционирование которых обеспечивает улучшение не только плодородия почв, но и общей экологической обстановки в агроландшафтах. В этой связи изучение и оценка изменений агролесомелиорированных почв
