CC BY
85
№ 315
ВЕСТНИК ТОМСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО УНИВЕРСИТЕТА
Октябрь
2008
БИОЛОГИЯ
УДК 631.4
В.М. Гончаров, Е.В. Фаустова, В.Г. Тымбаев
КОЛИЧЕСТВЕННЫЙ ПОДХОД К КОМПЛЕКСНОЙ АГРОФИЗИЧЕСКОЙ ОЦЕНКЕ
ПОЧВЕННОГО ПОКРОВА
Предложен вероятностный подход к агрофизической оценке, основанный на анализе водно-воздушного режима почв. Задавая внешние исходные условия на верхней и нижней границах почвенного профиля (осадки, эвапотранспирация, отток и др.) и используя экспериментальные данные ОГХ и водопроницаемости, можно прогнозировать изменения влажности, оценивать и оптимизировать водно-воздушные условия роста растений. На примере почвенного покрова Владимирского ополья и Ивановской области показана высокая пространственная неоднородность агрофизических свойств.
В условиях интенсивного сельскохозяйственного производства неизбежно возникает вопрос оперативной и научно обоснованной оценки состояния почвенного покрова. В последние годы особое значение как в научных исследованиях, так и в практике сельскохозяйственного производства приобретает физическое состояние почв. Именно физические свойства, формируя водно-воздушный, тепловой и питательный режимы, условия развития корневой системы, зачастую становятся лимитирующим фактором для роста и развития растений. В ряде работ им отводится основополагающая роль и в формировании почвенного покрова, т. к. именно они определяют направление и интенсивность процессов энерго- и массоперено-са в агроландшафте [1-3]. Проведение комплексной агрофизической оценки сельскохозяйственных угодий имеет целью получение реального массива почвеннофизических данных, который можно использовать для экологической и агротехнологической оценки, расчета мелиоративных мероприятий, количественного прогноза миграции веществ и энергии в ландшафте.
Агрофизическая оценка территории включает в себя характеристику физического состояния почвенного покрова на момент исследования, выделение на основании полученной информации благоприятных и неблагоприятных для роста и развития растений зон, разработку рекомендаций по повышению эффективности устойчивости агроэкосистем и их агроэкологической безопасности. В большинстве случаев традиционные подходы к агрофизической оценке территории строятся на основе классификационных градаций отдельных свойств почвы и включают такие показатели, как объект (почва и культура) и оптимальные диапазоны значений физических свойств в пахотном слое, например плотность, пористость, сопротивление пенетрации, структурный и гранулометрический составы, коэффициент фильтрации и др. [4]. Часто в качестве обобщенного показателя физического состояния, оценки пригодности почвы для возделывания сельскохозяйственных культур принимают плотность почвы в силу ее достаточно легкого полевого определения. Она является характеристикой структуры почвы, а ее увеличение указывает на уплотнение почвы, возрастание сопротивления пенетрации и росту корней растений [5]. Величина плотности сказывается на всем комплексе почвеннофизических условий: на водном, воздушном и тепловом режимах, что обусловливает информативность этого по-
казателя и широкое применение как при почвенногенетических исследованиях, так и для агротехнологиче-ской и почвенно-мелиоративной оценки почв.
Оптимальные параметры плотности необходимы для оценки устойчивости сложения пахотного слоя почв, при разработке различных агротехнических приемов и зональных систем земледелия, для оценки работы сельскохозяйственных орудий, при изучении вопросов окультуривания почв, уплотняющего воздействия техники на почву и т.д.
А.Г. Бондарев предложил шкалу оптимальных показателей плотности для большинства возделываемых культур [6]: глинистые и суглинистые почвы 1,00-1,30 г/см3; легкосуглинистые 1,10-1,40 г/см3;
супесчаные 1,20-1,45 г/см3;
песчаные 1,25-1,60 г/см3.
Часто для агрофизической оценки используется сводная шкала А.Г. Бондарева и В.В. Медведева [7]. Она включает: показатель (почва и высеваемая культура), значение оптимального параметра (в данном случае оптимальной плотности пахотного слоя, г/см3) и интервал его изменений.
От плотности почвы зависит другой, не менее важный агрофизический показатель - пористость почвы, которая в значительной мере определяет водоудерживающую способность почв, движение влаги и солей в почвенном профиле, доступность влаги растениям, содержание в почве воздуха. Общая пористость не характеризует истинное соотношение воды и воздуха. Необходимо дифференцировать поры в почве, подразделяя их, по отношению к передвижению воды, на активные и неактивные. Дифференциальная пористость почв является важным фактором, обусловленным распределением пор по размерам и необходимым для направленного регулирования водного режима почв [8-10].
С плотностью почвы связан и другой важный агрофизический показатель - сопротивление пенетрации (традиционно в почвоведении в отношении сопротивления пенетрации используют термин «твердость почвы»). При высоких значениях этого показателя часто заметно снижается всхожесть семян и оказывается значительное механическое сопротивление развивающейся корневой системе растений, изменяется водный, воздушный и тепловой режимы почвы, что отрицательно влияет на развитие самих растений. Критическим значением сопро-
тивления пенетрации, при которой затруднено проникновение корней в почву и растения начинают заметно страдать от повышенного сопротивления проникновению корней, считается величина около 3 МПа (» 30 кг/см2). В западной научной литературе критические значения этого параметра физического состояния для почв среднесуглинистого состава находятся в пределах 2-3 МПа [11, 12]. Кроме того, сопротивление пенетрации почвы оказывает большое влияние на тяговое сопротивление при движении машин и орудий. Оно чрезвычайно динамично и зависит от разнообразных почвенных свойств, прежде всего влажности, при которой производят полевые измерения.
Однако необходим комплексный показатель, позволяющий учитывать всю совокупность основных агрофизических свойств. В.В. Медведев предложил использовать «индекс физического состояния» (ИФС), который позволяет в числовом выражении характеризовать не отдельное свойство почвы, а агрофизическое состояние в целом [13]. В качестве параметров автор предлагает применять широкий набор основных физических свойств почв. Агрофизическая оценка состоит в определении ИФС как среднего геометрического отношений реальных значений данных свойств (Хь Х2, ..., Хц) к оптимальным (Хот i,
Хопг 2, ..., Хопг n): ИФС = (Х1/Хопг 1*Х2/ХоПГ 2* •••, Хг/Хот
где n - число исследованных свойств. Чем ближе значение этого индекса к единице, тем физическое состояние почвы ближе к оптимальному.
В западной научной литературе комплексная агрофизическая характеристика пригодности почвы для развития и роста растений объединяет водоудерживающую способность почвы, сопротивление пенетрации и почвенную аэрацию [14]. В дальнейшем в усовершенствованной концепции предложен показатель Least Limiting Water Range (LLWR), который мог быть использован как для количественной оценки агрофизического состояния, так и служить индикатором изменений в результате различных приемов обработки почвы. В качестве расчетных параметров авторы [15] предложили использовать наименьшую влагоемкость, влагу завядания, минимальный предел аэрации 10% от объема пор и максимальный предел твердости почвы 2МПа. LLWR является минимальным интервалом влагосодержания в период вегетации, который ограничивает развитие и рост растений. По мнению указанных исследователей, изменения этого показателя вместе с изменениями плотности почвы становятся лимитирующими факторами потенциальной продуктивной способности почвы.
Стоит отметить, что перечисленные подходы к оценке агрофизического состояния содержат ряд недостатков, т.к. анализ проводится по набору взаимосвязанных свойств, и при этом далеко не всегда их связи с плодородием почвы, а также с урожаем сельскохозяйственных культур линейные и возрастающие.
Эту задачу целесообразно решать путем анализа водно-воздушного режима почв, наиболее полно отражающего условия роста и развития растений. При этом перспективным представляется использование расчетных прогнозных моделей. Учитывая большую информативность кривой ОГХ, ряд авторов предлагают на ее основе различного рода математические модели, дающие возможность прогноза водновоздушного режима [16].
Целью данной работы стала разработка нового подхода к агрофизической оценке почвенного покрова на основе прогнозных вероятностных расчетов водно-воздушного режима почв. При этом решались задачи детального агрофизического обследования и оценки почвенного покрова общепринятыми методами, применения нового подхода на основе расчета водно-воздушного режима почв и анализа факторов, оказывающих доминирующее влияние на агрофизическое состояние ландшафтов.
Объекты и методы
Почвенный покров объектов исследования - серых лесных почв Владимирского ополья и дерновоподзолистых почв с текстурно-дифференцированным профилем Ивановской области - характеризуется высокой пространственной неоднородностью. Основными структурообразующими элементами почвенного покрова Владимирского ополья являются геохимически сопряженные пахотные серые лесные почвы, а также серые лесные почвы различной степени оподзоленности: слабооподзоленные, среднеоподзоленные и оподзолен-ные почвы, имеющие в составе своего профиля второй гумусовый горизонт (ВГГ). Почвенная карта-схема участка представлена на рис. 1.
Вторым объектом стали дерново-подзолистые почвы на двучленных отложениях Ивановской области, где глубина залегания подстилающего песчаного слоя в пределах исследуемого участка непостоянна и изменяется от 30 до 80 см. Это неизбежно находит отражение в агрофизическом состоянии почвенного покрова (рис. 2).
Высокая пространственная неоднородность физических свойств исследованных агроландшафтов продиктовала необходимость новых подходов и методов пространственного обследования территории. Традиционно агрофизическое обследование территории включает определение основных физических свойств по ключевым точкам почвенных контуров, которые затем приписываются всей территории контура внутри заданной границы. Однако информация почвенной карты не отражает изменения физических свойств в ландшафте, т.к. это результат не только почвенно-генетических, но и разнообразных технологических, агрохимических и других воздействий, нередко плохо коррелирующих со структурой почвенного покрова. Требуется оценка не в одной точке, не по ключевому разрезу, а по большому количеству разрезов с последующей интерполяцией свойств на все пространство, учитывая латеральную непрерывность физических свойств. Учет вариабельности агрофизических условий отвечает требованиям адаптивно-ландшафтного земледелия по оптимизации управления ростом растений, поиску оптимальных решений снижения неравномерности урожая в масштабе отдельного поля и одновременной экономии средств.
В связи с этим нами предложен ландшафтноагрофизический подход, основанный на исследовании латерального распределения физических свойств. Он подразумевает получение географически определенного массива данных по равномерной сетке, в которой шаг опробования определяется латеральной неоднородностью почвенного покрова и должен обеспечить достоверное отображение варьирования свойств мето-
дами пространственной интерполяции. Разработка это- ного исследования физических свойств и анализ их
го подхода повлекла задачу детального пространствен- изменений в изученных агроландшафтах.
Рис. 1. Почвенная карта экспериментального участка ОПХ Владимирского НИИСХ:
1 - серая лесная; 2 - серая лесная слабооподзоленная; 3 - серая лесная среднеоподзоленная; 4 - серая лесная сильнооподзоленная с ВГГ; 5 - серая лесная остаточно-карбонатная
Рис. 2. Почвенная карта экспериментального участка ОПХ Ивановского НИИСХ:
1 - дерново-слабоподзолистые; 2 - дерново-среднеподзолистые; 3 - дерново-слабоподзолистые слабосмытые; 4 - дерново-слабоподзолистые среднесмытые; 5 - дерново-слабоподзолистые намытые;
6 - дерново-слабоподзолистые глубокоглеевые
Изменение свойств в пространстве можно представить в виде изоплет (агрофизических карт) или функциональных поверхностей - массива данных с координатами X, У, определяющими местоположение точки (точечного значения свойства) в пространстве, и координатой 2, представляющей значение изучаемого свойства. Одно из основных предположений этого подхода состоит в том, что изучаемое свойство имеет значение в любой точке изучаемого пространства, т.е. является непрерывным [17].
Представление варьирующего показателя в виде функциональной поверхности дает возможность по-
строения подробных карт изменения того или иного свойства в пространстве, возможность интерполяции величин изучаемых свойств в точках, в которых не проводилось опробование, выявление структуры варьирования того или иного свойства. В последние годы этот метод представления варьирования вызывает особенный интерес в связи с широким внедрением в практику почвоведения геоинформационных систем, которые дают исследователю богатый арсенал методов работы с графическими объектами - картами.
В нашей работе опробование основных физических свойств объектов проводилось в узлах равномерной про-
странственно-определенной сетки с шагом 7 м послойно через 10 см. Определялись плотность почвы, сопротивление пенетрации, водопроницаемость методом трубок с переменным напором, а лабораторный этап включал исследования пористости агрегатов, пределов пластичности и водоудерживающей способности почв (ОГХ). Эти свойства стали основой для оценки агрофизического состояния, как наиболее информативные с точки зрения формирования водно-воздушного режима почв.
Анализ физических свойств комплекса серых лесных почв Владимирского ополья свидетельствует о переуплотнении подпахотного горизонта в большей части участка. В наибольшей степени это проявляется в серых лесных остаточно-карбонатных почвах, где значения возрастают до 1,40 г/см3, а минимальные значения характерны для серых лесных почв со вторым гумусовым горизонтом - 1,28 г/см3.
Наибольшие различия в плотности агрегатов получены в слое 40-50 см, где почвы сохраняют свои генетические особенности в отличие от верхнего пахотного слоя, претерпевшего значительные изменения и перемешивание в процессе длительного сельскохозяйственного использования территории ополья. При общем диапазоне варьирования значений от 1,22 до 1,89 г/см3 минимум, как и с плотностью сложения, приурочен к серым лесным почвам со вторым гумусовым горизонтом, а максимум к остаточно-карбонатным.
Сравнительный анализ значений пределов текучести (Жгек) и пластичности (^ппасг) в пахотном слое различных почвенных контуров показал, что средние по Жтек варьируют в пределах от 27% (слабооподзоленная) до 29% (остаточно-карбонатная). Средние значения Шппаст возрастают в ряду от серой лесной неоподзоленной почвы (19%) к сильнооподзоленной (21%) и остаточно-карбонатной (22%). Однако статистическая обработка данных в пределах каждого почвенного подтипа показала, что эти различия недостоверны. Размытость границ, отсутствие четких переходов между почвенными контурами в верхнем слое почв по значениям Штек и Шпласт, как и по другим физическим свойствам, - следствие уже отмеченного длительного сельскохозяйственного использования.
Комплексная количественная оценка агрофизического состояния проводилась с помощью подхода, предложенного В.В. Медведевым и рассмотренного нами выше. В слое 0-10 см для каждой точки получено отношение определенных физических свойств (плотность, границы пластичности, пористость, фильтрация) к оптимальным и найдено их среднегеометрическое -индекс физического состояния.
Построив карту распределения по участку ИФС, можно отметить, что в целом характерны высокие значения этого показателя (0,79-0,99). Они равномерно разделяются по площади, однако можно выделить точки-экстремумы, при этом и минимальные (0,79-0,83) и максимальные (0,98-0,99) значения могут принадлежать одной почвенной разности. Это наблюдается в неоподзоленной, слабо- и среднеоподзоленной почвах, лишь почвы со вторым гумусовым горизонтом характеризуются выровненными значениями (0,94-0,96). Это отмеченные выше недостатки традиционного почвенно-генетического подхода к агрофизической характеристике, когда свойства почвы в ключевых точках поч-
венных контуров приписываются всей территории контура, не предполагая их изменения в ландшафте. Таким образом, исключается влияние технологических, агрохимических и других факторов, не связанных со структурой почвенного покрова.
Еще одним способом получения пространственной агрофизической картины стала классификация на основе кластерного анализа всей совокупности значений изученных свойств в слое 30-50 см. Кластеризация проводилась по методу ^-средних. Вначале данные стандартизировали - вычитали среднее и делили на корень квадратный из дисперсии, т. е. получали стандартизированное отклонение, в результате чего переменные имели нулевое среднее и единичную дисперсию. Анализ позволил разделить все точки опробования на три группы: границы одного из кластеров соответствуют контуру серых лесных почв со вторым гумусовым горизонтом, тогда как видимой связи между другими кластерами и почвенными контурами не прослеживается. Это свидетельствует, что лишь серые лесные почвы со вторым гумусовым горизонтом выделяются по всему комплексу агрофизических свойств.
Следовательно, пространственная генетическая неоднородность почвенного покрова Владимирского ополья не отражает латеральную изменчивость физических свойств. Лишь пространственные позиции наиболее рыхлых и влагоемких почв со вторым гумусовым горизонтом сопровождаются резкой сменой агрофизических условий и являются одними из основополагающих факторов, формирующих водный и температурный режим этой территории [18-20].
Выделение зон, различающихся по отдельным физическим свойствам, дает качественную характеристику состояния почв, не позволяя дать точной количественной оценки всего покрова и прогноза его поведения в отношении к растению.
Вероятностный подход к агрофизической оценке, основанный на анализе водно-воздушного режима почв, состоит в расчете элементов режима по экспериментальным данным ОГХ и водопроницаемости. Задавая внешние исходные условия или, как принято в математическом моделировании, условия на верхней и нижней границах почвенного профиля (осадки, эва-потранспирация и отток), можно прогнозировать изменения влажности, т.е. производить прогнозный режимный расчет. В нашем алгоритме начальным условием было взято распределение влажности по профилю, равное НВ (аналог начала послеполивного периода или весенней влагозарядки). Полный расчетный цикл составлял 25 дней: в течение первых 12 суток с верхней границы испарялось количество воды, соответствующее разнице запасов от НВ до 0,7 НВ в слое 0-50 см; на 13-й день в течение суток задавался полив, равный указанному диапазону, с 14-го дня - вновь испарение в течение 12 дней до запасов 0,7 НВ. Этот алгоритм условий на верхней границе должен в лучшей степени отражать послойное чередование физических свойств, а именно их водоудерживание и проводимость. На нижней границе профиля задавалось условие свободного оттока, что соответствует автоморфным почвам.
Указанный алгоритм расчета имеет следующие преимущества перед традиционными оценками агрофизического состояния почв:
1. Оценивают не набор свойств, имеющих, как правило, нелинейное влияние на продукционный процесс, а именно недостатки влаги и воздуха, связанные с особенностями послойного распределения физических свойств в почвенном профиле.
2. Оценивают не отдельный (обычно пахотный) слой, а весь почвенный профиль с его особенностями водоудерживания и водопроводности как основными свойствами, определяющими водо- и воздухообмен.
При унифицированных условиях на верхней и нижней границах почвенной толщи, что позволило задать равные «стартовые» возможности для всех точек почвенного покрова, были получены послойные динамики влажности (давления влаги) за определенный период. Оценка водно-воздушных условий с точки зрения оптимальности для растений заключалась в подсчете вероятности появления в различных слоях и в почвенном профиле в целом неблагоприятных периодов:
1) недостатка влаги в почве или вероятности появления величин менее 70% от наименьшей влагоемкости (НВ) в случае оценки оптимальной влагообеспеченности растений;
2) недостаточной аэрации или вероятности появления воздухосодержания менее 10%.
Чем их меньше, тем лучше агрофизическое состояние.
После прогнозного расчета водно-воздушного режима в программе FAUST для корнеобитаемого слоя 0-50 см с шагом 10 см были получены вероятности появления периодов недостатка влаги (ВН) и переувлажнения (ВП) как основных количественных характеристик водного режима.
Анализируя полученные данные (рис. 3), можно отметить, что зоны, характеризующиеся минимальной вероятностью появления неблагоприятных (и засушливых, и переувлажненных) периодов, приурочены к контурам серых лесных почв со вторым гумусовым горизонтом (см. рис. 1).
Наибольшие ВП приходятся на неоподзоленные, слабо- и среднеоподзоленные почвы. Максимальные значения вероятности их появления доходят до 0,08, что, по-видимому, является следствием низкой водопроницаемости этих почв.
80-
0.08 0.07 700.06 0.05 60 0.04 0.03 0.02 400.01
50-
0.00
30-
20-
10-
10 20 30 40 50 60 70
0.009
0.008
0.007
0.006
0.005
0.004
0.003
0.002
0.001
0.000
10 20 30 40 50 60 70
Рис. 3. Вероятность появления переувлажнения (а) и иссушения (б) для слоя 0-50 см серых лесных почв Владимирского ополья
Вероятность появления участка засушливых периодов и их длительность в целом для участка гораздо меньше: ВН не более 0,01. Максимум также приходится на неоподзоленные и слабооподзоленные почвенные разности, что можно объяснить их высокой плотностью. Обладая хорошо развитой сетью преимущественно тонких пор и, следовательно, большей гидравлической проводимостью в области низких значений влажности, они по капиллярам легко проводят влагу к верхним слоям, где та быстро испаряется. Такие иссушенные участки негативно влияют на урожайность поля в целом, поскольку, обладая высокой влагопроводностью, способствуют подтягиванию влаги с окружающего почвенного пространства и ее быстрому испарению.
Математическая обработка показала значимую корреляцию вероятностей появления обеих критических величин - ВП и ВН (Кг = 0,51). Вычитая полученные
значения ВП и ВН из общего объема данных (вероятность равна 1) и найдя их среднее геометрическое, был получен показатель - индекс оптимальности водновоздушного режима (ИОР): ИОР = ((1-ВП)*(1-ВН))12.
Почвы экспериментального участка имеют достаточно высокие значения ИОР 0,96-0,99 (см. рис. 4). При этом они слабо варьируют в пределах изученного агроландшафта. Такой высокий ИОР и его слабая дифференциация в почвенном покрове участка объясняется, вероятно, «мягкими», «щадящими» условиями, заданными в алгоритме модельных расчетов: норма орошения рассчитывалась по самым плотным - серым лесным - почвам, т. е. была минимальна из всех возможных вариантов и одинакова по всему участку. Можно предположить, что в более «жестких» условиях, т.е. большей норме осадков и эвапотранспирации, рассчитанных по рыхлым почвам, например со вторым гумусовым горизонтом, различия будут более яркими. В ча-
стности, в тех же серых лесных неоподзоленных почвах следует ожидать продолжительные периоды переувлажнения и чрезмерного иссушения.
Несмотря на выровненную в целом агрофизическую оценку, можно выделить зоны с максимальным ИОР, приуроченные к серым лесным почвам со вторым гумусовым
горизонтом (ИОР = 1). Следовательно, в агроландшафте Владимирского ополья именно они формируют водновоздушный режим, в наилучшей степени отвечающий требованиям роста и развития сельскохозяйственных растений. Зоны с минимальным значением ИОР (0.88) приурочены к серым лесным неоподзоленным почвам.
1.00 1.00 0.99 0.99 0.98 0.98 — 0.97
I
0.96
0.95
0.95
Рис. 4. Индекс оптимальности водно-воздушного режима для слоя 0-50 см серых лесных почв Владимирского ополья
Сравнение изоплет значений урожайности и ИОР позволяет отметить соответствие контуров наибольшей урожайности овса (29-33 ц/га) и участков с индексом, близким или равным единице (1-0,99), тогда как на участках с ИОР 0,91-0,88 она составляет 13-19 ц/га. Однако при математической обработке данных в программе 8ТЛТ18Т1СЛ значимой корреляции ИОР ни с почвенными контурами, ни с урожайностью не выявлено. По-видимому, продуктивность данного агроландшафта лимитируют другие факторы, не зависящие от агрофизического состояния и варьирующие по площади участка, например, содержание питательных элементов. Это соотносится с данными Н.Ф. Хохлова [21], который на примере многолетних исследований показал, что плодородие не всегда пропорционально связано с физическим состоянием почв.
Проведенные по аналогичной методике ландшафтно-агрофизические исследования дерново-подзолистых почв на двучленных отложениях Ивановской области и последующий анализ значений показали, что в почвенном покрове отчетливо выделяются три зоны, в которых при формировании агрофизических условий основная роль принадлежит глубине залегания песка и уровню грунтовых вод. В частности, переуплотнение почвы в верхней части склона (нижняя часть карты) с близким залеганием песка связано с тем, что песок является жесткой, слабоуплотняемой «подложкой», и деформационное воздействие техники не распределяются вглубь профиля, а аккумулируется в верхнем слое.
Прогнозный расчет элементов водно-воздушного режима агроландшафта Ивановской области свидетельству-
ет о незначительной вероятности появления в почвенном покрове периодов ВН (см. рис. 5).
Зона, где они все же могут наблюдаться (максимум вероятности 0,07), расположена в верхней части склона с близким залеганием песка. ВП проявляется интенсивнее: значение медианы 0,03, а максимум превышает 0,40. Наибольшие значения закономерно приурочены к нижней части поля (верхняя часть карты) с близким уровнем грунтовых вод. Здесь вероятность переувлажнения достигает 0,42. Однако переувлажнение может проявляться и в верхней части поля, что связано, по-видимому, со слоистой природой близко залегающей песчаной толщи. В агрофизической оценке ландшафта это играет доминирующую роль - распределение значений ИОР практически полностью совпадает с распределением ВП. В целом для участка характерен высокий индекс оптимальности режима (медиана 0,98). Напомним, что минимум для серых лесных почв составил 0,88. Минимальные значения в некоторых точках нижней части поля (0,74-0,78) связаны с высокой вероятностью переувлажнения.
Приоритет во влиянии на агрофизическую оценку (ИОР) среди изученные свойств имеют: в комплексе серых лесных почв - плотность подпахотного слоя (Кг = -0,26) и плотность агрегатов (Кг = -0,31), в дерново-подзолистых почвах - фильтрация поверхностного слоя (Кг = 0,30), плотность почвы и значения ВН.
Результаты исследований показали, что для почвенного покрова Владимирского ополья и Ивановской области характерна почвенная неоднородность, сопровождаемая высокой неоднородностью физических свойств, хотя их изменение в пространстве не всегда совпадает с граница-
ми почвенных контуров. Традиционные подходы к агрофизической оценке позволяют лишь характеризовать свойства отдельных горизонтов в конкретный момент времени. Ландшафтно-агрофизический подход и применение прогнозных расчетов водно-воздушного режима позволяют дать интегральную количественную характеристику латеральной агрофизической картины, которая в
120 =
110 '
0.07 100 "
0.06 90
0.05 80
0.04 70.
0.03 60>
0.02 50
0.01 40 ч
0.00 321
большинстве случаев отлична от пространственных картин распределения отдельных физических показателей. Такая долгосрочная прогнозная оценка позволит разработать более точные рекомендации по оптимизации водновоздушного режима и улучшению роста и развития сельскохозяйственных культур в адаптивно-ландшафтном земледелии.
12 11fr 0.40 10fr 0.35
0.30 0.25 0.20 0.15 0.10 0.05 40 0.00
1.00
0.98
0.96
0.94
0.92
0.90
0.88
0.86
0.84
0.82
0.80
0.78
0.76
0.74
10 20 30 40
10 20 30 40
Рис. 5. Вероятность появления недостатка влаги (а), избыточного увлажнения (б) и ИОР (в) в слое 0-50 см дерново-подзолистых почв ОПХ Ивановского НИИСХ
Таким образом, предложен ландшафтно-агрофизический подход к оценке агрофизического состояния, включающий детальное пространственно-определенное обследование и прогнозную оценку водновоздушного режима почв. В качестве критерия оценки наиболее обоснованным является использование индекса оптимальности режима (ИОР).
Почвенный покров агроландшафтов Владимирского ополья и Ивановской области характеризуется пространственной неоднородностью, сопровождаемой высокой неоднородностью физических свойств, однако границы почвенных контуров не всегда совпадают с латеральной изменчивостью физических свойств.
В почвенном покрове Владимирского ополья, имеющем в целом благоприятное агрофизическое со-
стояние и высокий ИОР (0,99-0,88), можно выделить зоны, приуроченные к серым лесным почвам со вторым гумусовым горизонтом. Именно они формируют в агроландшафте водно-воздушный режим, в наилучшей степени отвечающий требованиям роста и развития сельскохозяйственных растений (ИОР = 1). Зоны с минимальным значением ИОР (0,88) приурочены к серым лесным неоподзоленным почвам.
При формировании агрофизических условий агроландшафта Ивановской области в дерново-подзолистых почвах основная роль принадлежит глубине залегания песчаной толщи и уровню грунтовых вод. В целом для этих почв характерен высокий ИОР, хотя при близком залегании грунтовых вод, где высока вероятность переувлажнения, он снижается до 0,74-0,78.
ЛИТЕРАТУРА
1. Апарин Б.Ф. Географические основы рационального использования почв. СПб.: Изд-во СПб. ун-та, 1992. 320 с.
2. Бондарев А.Г. Физические свойства почв как теоретическая основа прогноза их уплотнения // Влияние сельскохозяйственной техники на
почву. М.: Наука, 1981. С. 80-85.
3. Дмитриев Е.А. К методологии и технике разделения объектов на две группы // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 17. Почвовед. 1993. № 1. С. 15-19.
4. Медведев В.В. и др. Критерии оценки пригодности земель Украины для возделывания зерновых культур // Почвоведение. 2002. № 2. С. 75-
78.
5. Menning P. Charakterisierung und bewertung der Struktur landwirtschaftlich genutzter boden // Tagungder. Akad. Landwirtschafts wiss. DDR. 1983.
№ 215. Р. 5-15.
6. Шеин Е.В. Курс физики почв. М.: Изд-во МГУ, 2005. 274 с.
7. Бондарев А.Г., Медведев В.В. Некоторые пути определения оптимальных параметров агрофизических свойств почв // Теоретические основы
и методы определения оптимальных параметров свойств почв: Тр. Почв. ин-та им. В.В. Докучаева. М.: Наука, 1980. С. 85-98.
8. Дояренко А.Г. К изучению структуры почвы как соотношения некапиллярной и капиллярной скважности и ее значение в плодородии почв.
М.: Наука, 1963. С. 116.
9. Качинский Н.А. Физика почвы. М.: Высшая школа, 1965. Ч. 1. 323 с.
10. Кузнецова И.В., Тихонравова П.И. О дифференциальной порозности и подвижности влаги в иллювиальных горизонтах дерновоподзолистых суглинистых почв // Научн. тр. почв. ин-та им. В.В. Докучаева. Физические условия почвенного плодородия. М.: Наука, 1978. С. 45-53.
11. Betz C.L., Allmaras R.R., Copeland S.M., Randall G.W. Least limiting water range: traffic and long-term tillage influences in a Webster soil // Soil
Sci. Soc. Am. J. 1998. № 62. Р. 1384-1393.
12. Lhotsky J. a kol. Metodika ztodninf zhutninych pйd. Praha: UVTIZ, 1984. 124 с.
13. Медведев В.В. Оптимизация агрофизических свойств черноземов. М.: Агропромиздат, 1988. 157 с.
14. Letey J. Relationship between soil physical properties and crop production // Adv. Soil Sci. 1985. № 1. Р. 277-294.
15. Da Silva A.P., Kay B.D., PerfectE. Characterization of the least limiting water range of soils // Soil Sci. Soc. Am. J. 1994. № 58. Р. 1775-1781.
16. Шеин Е.В., Махновецкая С.В. Агрофизическая оценка почв на основе анализа прогнозного водно-воздушного режима // Вестн. Моск. ун-та.
1995. Сер. 17. Почвовед. № 2. С. 141-143.
17. Johnston et al. ArcGIS Geostatistical Analyst. Extension Guides. USA: ESRI. N. Y., 2001. 95 р.
18. Архангельская Т.А., Бутылкина М.А., Мазиров М.А., Прохоров М.В. Состав и свойства пахотных почв палеокриогенного комплекса Влади-
мирского ополья // Почвоведение. 2007. № 3. С. 1-11.
19. Перекрестова Н.А. Пространственные закономерности динамики влажности комплекса серых лесных почв в условиях многолетнего опыта:
Автореф. дис. ... канд. биол. наук. М.: ПРОФИ, 2002. 22 с.
20. Шеин Е.В., Иванов А.Л., Бутылкина М.А., Мазиров М.А. Пространственно-временная изменчивость агрофизических свойств комплекса серых лесных почв в условиях интенсивного сельскохозяйственного использования // Почвоведение. 2001. № 5. С. 578-585.
21. Хохлов Н.Ф. Морфологические основы совершенствования агрофизической оценки элементов систем земледелия в длительном полевом опыте: Автореф. ... д-ра с/х наук. М.: МСХ им. Тимирязева, 2001. 47 с.
Статья представлена научной редакцией «Биология» 16 июня 2008 г.
