CC BY
45
УДК 631.(41+437.31):550.837.31
ОЦЕНКА ЗАВИСИМОСТИ УДЕЛЬНОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ОТ БАЗИСНЫХ СВОЙСТВ АГРОСЕРЫХ ПОЧВ БРЯНСКОГО ОПОЛЬЯ*
Б.Е. Кондрашкин, А.И. Поздняков, В.П. Самсонова, М.И. Кондрашкина
Детально изучено удельное электрическое сопротивление агросерых и агросерых почв со вторым гумусовым горизонтом Брянского ополья. Показана зависимость удельного электрического сопротивления от содержания органического вещества, влажности, плотности. В условиях достаточного увлажнения запас гумуса в верхнем полуметровом слое агросерых почв может быть определен по величине удельного сопротивления при помощи уравнения Сзапас = 2,7 ■ ЕЯ + 34,3 т/га.
Ключевые слова: удельное электрическое сопротивление, агросерые почвы.
Введение
В последние время в связи с расширением и развитием экологических исследований и точного земледелия наблюдается рост потребности в «точечной» информации о состоянии почвенного покрова. Традиционные методы обычно весьма трудоемки и громоздки. В отличие от них электрофизические методы позволяют быстро и своевременно получать большие объемы информации. К их достоинствам относится и то, что они не нарушают или в минимальной степени нарушают почвенный покров. Это позволяет проводить повторные измерения в одних и тех же точках.
На электрические свойства почвы влияют в первую очередь концентрация адсорбированных электрических зарядов и их количество в растворе единичного объема почвы, которые прежде всего зависят от гранулометрического состава (наличие физической глины), что определяется ЕКО и содержанием гумуса. Это важнейшие свойства почвы, которые характеризуют ее «генетический облик». Кроме того, на электрические свойства влияют и физические факторы, такие как влажность почвы, в меньшей степени — плотность и ее температура [8, 11, 13, 14]. При относительно высокой влажности, умеренных температурах и обычной плотности почвы электрические характеристики можно успешно использовать для решения самых разных задач генетического плана, что обусловило их широкое использовании при картировании почв в гу-мидной зоне [15, 16].
Особую важность электрофизические методы приобретают при картировании почв для целей точного земледелия [7, 17], основной особенностью которых является строгая привязка к местности на основе ОР8-технологий и неоднократное изучение свойств почв на протяжении вегетационного пе-
риода с использованием измерения электропроводности или электрического сопротивления.
Цель работы — оценить связь электрических свойств почв с отдельными агрофизическими и физико-химическими свойствами агросерых почв в разных пространственных масштабах при помощи множественной регрессии.
Объекты и методы исследования
Работы проводили на территории опытного хозяйства Брянской государственной сельскохозяйственной академии (пос. Кокино Выгоничского р-на Брянской обл.). Почвы — агросерые и агросерые со вторым гумусовым горизонтом.
На основных элементах рельефа были заложены один разрез (агросерая почва) и две траншеи длиной 4 и 6 м (агросерые со вторым гумусовым горизонтом). В полевых условиях удельное электрическое сопротивление измеряли по профилю почвы с шагом 10 см четырехэлектродным прямолинейным пробником ЛММБ с расстоянием между электродами 2,5 см, что обеспечивало получение устойчивых данных как по профилю, так и внутри отдельных маломощных горизонтов. Вдоль траншей и разреза измеряли электрическое сопротивление с поверхности методом вертикального электрического зондирования тем же пробником с расстоянием между электродами 50 см [1, 6—8]. Сопротивление мерили прибором Ьапёшаррег-03.
В точках измерения определяли влажность и плотность почвы стандартными методами [3, 10], в отобранных пробах — рН водной вытяжки, содержание углерода при помощи экспресс-анализатора АН-7529М [4], удельную поверхность по методу Кутелека [5], гранулометрический состав лазерным дифрактометром ЛпаИ8еИе-22 [12] в одной повторности.
* Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (гранты 09-04-00336 и 09-04-00188).
Таблица 1
Характерные значения электрического сопротивления и свойства почвенных горизонтов
Горизонт N БЯМ, Ом • м БЯЯ, Ом • м Ж, % с1, г/см3 рНвод С, % и, м2/г
Ар 26 141,3 155,19 19,28 1,34 5,75 1,59 46,40
АИ1 4 204,7 363,19 13,40 1,19 5,79 0,85 30,93
АИ2 3 197,4 322,73 15,72 1,28 6,03 1,84 48,12
АБ 2 272,1 340,07 8,46 1,20 5,73 0,56 25,57
ЕВ 5 203,3 251,9 12,70 1,30 5,80 0,30 41,10
В 2 123,7 78,34 12,67 1,39 7,55 0,58 47,58
ВС 3 95,8 33,97 9,54 1,26 6,52 0,20 58,76
С 1 95,3 43,93 6,75 1,14 6,57 0,11 37,78
Примечание. БИМ — лабораторные, БИЯ — полевые измерения.
Результаты исследований и их обсуждение
Общая характеристика свойств
Почвы исследованного участка имеют легкосуглинистый состав с преобладанием крупной пыли (55—60%). Содержание илистой фракции не превышает 10%.
Плотность почв в пахотном горизонте существенно превышает оптимальную. Величины ее колеблются от 1,2 до 1,5 г/см3 (табл. 1). Отмечается тенденция уменьшения плотности пахотного слоя в почвах со вторым гумусовым горизонтом, что подтверждает результаты, полученные для агросерых почв ранее.
Удельная поверхность с глубиной либо плавно уменьшается, либо обнаруживает локальный максимум. Как правило, он приурочен либо ко второму гумусовому горизонту, либо к горизонту подпахотного уплотнения — «плужной подошве». Обращает на себя внимание то, что пахотный слой не дифференцирован по этому показателю.
Содержание органического углерода в целом по профилю уменьшается, обнаруживая локальный максимум во втором гумусовом горизонте. Второй гумусовый горизонт оказывается более кислым по сравнению с вышележащими.
По данным измерений были определены характерные значения удельного электрического сопротивления по горизонтам (табл. 1). Прослеживается общая закономерность: элювиированные горизонты ЕВ и гумусовые, в том числе и вторые гумусовые горизонты, имеют наибольшие его значения. В пахотных горизонтах и горизонтах В величина сопротивления уменьшается. Таким образом, по профилю удельное электрическое сопротивление сверху вниз сначала возрастает, а затем снижается, формируя типичную для таких почв 5-образную кривую.
Сопоставление результатов
полевых и лабораторных измерений
В современной научной и прикладной почвенной практике значения электропроводности поч-
венных паст, как правило, используются для суждения о полевых свойствах почв [11, 13, 15]. Проведенное нами сравнение данных измерения удельного электрического сопротивления в лабораторных и полевых условиях показало, что у незасолен-ных почв связи характеризуются коэффициентом корреляции (г), равным 0,725 (уровень значимости а < 0,05). Из этого можно еще раз заключить, что в данных условиях полевое удельное электрическое сопротивление определяется не только влажностью, плотностью, структурным состоянием и т.п., но и гранулометрическим составом и химическими свойствами почвенных горизонтов в первую очередь.
Взаимосвязи между свойствами
Между плотностью, содержанием органического углерода и удельной поверхностью обнаруживается взаимосвязь (табл. 2). Высокие коэффициенты корреляции между этими показателями и влажностью скорее всего обусловлены тем, что измерения проводили после недавно прошедших дождей, промочивших лишь верхний 30-сантиметровый слой почвы. В момент измерений направление изменчивости влажности совпало с изменением остальных показателей; в другие моменты связь может быть обратной.
Таблица 2
Коэффициенты корреляции между исследованными свойствами
W, % с1, г/см3 рНвод С, % и, м2/г БЯЯ
% 1,00 0,22 -0,29 0,69 0,40 0,65
с1, г/см3 1,00 0,02 -0,15 -0,25 0,89
рНвод 1,00 -0,19 0,11 -0,13
С, % 1,00 0,67 0,20
и, м2/г 1,00 -0,02
БЯЯ 1,00
Корреляция значений электрического сопротивления и содержания углерода по разрезу и траншее 2 (а: г = 0,56; р = 0,0002)
и траншее 1 (б: г = —0,52; р = 0,0162)
В этих условиях увлажнения удельное электрическое сопротивление имеет значимые коэффициенты корреляции с влажностью и плотностью почвы. Обращает на себя внимание тот факт, что коэффициент корреляции между удельным электрическим сопротивлением и содержанием углерода незначим, хотя ранее было показано [8, 11, 16], что для агросерых почв первый показатель уменьшается с увеличением содержания углерода. Детальный анализ показывает, что траншеи, заложенные на агросерых почвах со вторым гумусовым горизонтом, качественно различны. Если в первой траншее второй гумусовый горизонт несет явные черты намытости, то во второй наблюдается классический вариант профиля агросерой почвы со вторым гумусовым горизонтом. Если объединить аг-росерую почву и агросерую со вторым гумусовым горизонтом (траншея 2), то обнаруживается значимый положительный коэффициент корреляции между удельным электрическим сопротивлением и содержанием углерода, в то время как для первой траншеи коэффициент корреляции также значим, но отрицателен (рисунок). В сумме это приводит к тому, что линейная связь между углеро-
дом и удельным электрическим сопротивлением отсутствует.
Вертикальное зондирование
Этот метод обнаруживает связь между запасом органического углерода в слое 0—50 см и удельным сопротивлением, измеренным с расстоянием между электродами 50 см, которая выражается уравнением: Сзапас = 2,7 • ЕЯ + 34,3 т/га с коэффициентом детерминации К2 = 0,67.
Заключение
Таким образом, по величине удельного электрического сопротивления фиксированного почвенного слоя оценивается запас углерода в нем, что можно использовать для экспрессного картирования этого показателя для агросерых почв. Следует отметить, что это уравнение справедливо для пахотного горизонта высокой влажности, когда ее влияние на электрическое сопротивление невелико. В других условиях это уравнение может потребовать корректировки.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Волощук А.Т., Зинченко С.И., Мазиров М.А. и др. Проведение комплексной агрофизической экспресс-оценки состояния сельскохозяйственных земель. Суздаль, 2005.
2. Горбунов А.А., Большаков Д.К. Электроразведка. Практикум: Пособие для студентов геофизических специальностей. М., 2005.
3. Золотая Л.А., Бобачев А.А., Калишева М.В. Геофизические исследования почв // Тез. науч. конф. Ломоносовские чтения. Апрель 2005 г. Секция геол. М., 2005.
4. Когут Б.М., Большаков В.А., Фрид А.С. и др. Аналитическое обеспечение мониторинга гумусного состояния почв: Метод. указания. М., 1993.
5. Орешкина Н.С, Сапожников П.М. Пространственное варьирование величины удельной поверхности дерново-подзолистой почвы // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 17. Почвоведение. 1982. № 2.
6. Поздняков А.И. Использование полевых электрофизических методов с целью улучшения методики исследования почв // Экспериментальная информация в почвоведении: теория и пути стандартизации. М., 2005.
7. Поздняков А.И., Позднякова А.Д., Ковалев Н.Г. Электрофизика в почвоведении, мелиорации и земледелии. Тверь, 2002.
8. Поздняков А.И., Федотов Т.Н. Электрофизические методы полевого исследования почв // Мелиорация и вод. хоз-во. 2006. № 4.
9. Позднякова А.Д., Поздняков А.И. Опыт оценки гу-мусного состояния и плодородия окультуренных дерново-подзолистых почв методами электрического сопротивления // Агроэкологические функции органического вещества почв и использование органических удобрений и биоресурсов в ландшафтном земледелии. Владимир, 2004.
10. Теории и методы физики почв / Под ред. Е.В. Ше-ина, Л.О. Карпачевского. М., 2007.
11. Тютюнник Ю.Т., Шабатура A.B., Онищук И.И. Удельное электрическое сопротивление генетических горизонтов почв // Почвоведение. 2004. № 2.
12. Федотов Т.Н., Путляев В.И., Архангельская Т.А. и др. Физико-химические основы различий седименто-метрического и лазерно-дифракционного методов опре-
деления гранулометрического состава почв // Почвоведение. 2007. № 37.
13. Фокин Д.Ю., Федотова А.В. Пространственное варьирование электрического сопротивления почв в ландшафтах дельты Волги // Эколого-биологические проблемы бассейна Каспийского моря. Астрахань, 2006.
14. Hanson B.R., Oster J.D. Rapid field-wide assessment of soil salinity. St. Joseph; Mich., 1986.
15. Kitchen N.R, Drummond S.T., Lund E.D. at al. Soil electrical conductivity and topography related to yield for three contrasting soil-crop systems // Agronomy J. 2003. Vol. 95.
16. Simbahan Gregorio C., Dobermann Achim. Sampling optimization based on secondary information and its utilization in soil carbon mapping // Geoderma. 2006. Vol. 133. Iss. 3-4.
17. Tabbagh A., Dabas M, Hesse A., Panissod C. Soil resistivity: a non-invasive tool to map soil structure horizo-nation // Geoderma. 2000. Vol. 97. N 3/4.
Поступила в редакцию 15.08.2010
ELECTRICAL RESISTIVITY OF ARABLE GREY FOREST SOILS
B.E. Kondrashkin, A.I. Pozdnjakov, V.P. Samsonova, M.I. Kondrashkina
Electrical resistivity of grey forest and grey forest soils with second humus horizon was studied at Bryansk Opol'e region. The dependence of electrical resistivity on soil organic content, moisture and bulk density was stated. Under wet condition organic matter storage in upper 50 cm layer may be estimated by the equation Cstorage = 2,7-ER + 34,3 (t/ha).
Key words: soil electrical resistivity, arable grey forest soils.
Сведения об авторах. Кондрашкин Борис Евгеньевич, аспирант каф. физики и мелиорации почв; тел.: +7-916-751-33-27, e-mail: [email protected]. Поздняков Анатолий Иванович, докт. биол. наук, профессор каф. физики и мелиорации почв; тел.: +7-903-570-46-09, e-mail: [email protected]. Самсонова Вера Петровна, докт. биол. наук, доцент каф. общего земледелия; тел.: +7-909-088-47-52, e-mail: [email protected]. Кондрашкина Марина Иосифовна, канд. биол. наук, доцент каф. общего земледелия; тел.: +7-916-418-91-73, e-mail: [email protected]
