CC BY
57
ПРОБЛЕМЫ ЭКОЛОГИИ И РАЦИОНАЛЬНОГО ПРИРОДОПОЛЬЗОВАНИЯ
УДК 630*232
Ю. П. Демаков, И. И. Митякова
ПРОСТРАНСТВЕННАЯ НЕОДНОРОДНОСТЬ ПОЧВЕННОГО АГРОФОНА ЛЕСНОГО ПИТОМНИКА И ЕЕ ВЛИЯНИЕ НА БИОМЕТРИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ СЕЯНЦЕВ
Оценена пространственная вариабельность физико-химических параметров различных слоев почвы лесного питомника и выявлены факторы, влияющие на биометрические показатели сеянцев сосны обыкновенной.
Ключевые слова: лесные питомники, почва, физико-химические параметры, пространственная вариабельность, сеянцы сосны обыкновенной, биометрика.
Введение. Характерной особенностью лесопитомнического хозяйства является интенсивное механическое и химическое воздействие на почву, что часто приводит к ее деградации и нарушению протекания в ней естественных процессов биологического круговорота. В результате почвы обедняются гумусом и минеральными элементами питания растений, ухудшаются их водно-физические, воздушные и биологические свойства, нарушается структура, что приводит к снижению продуктивности посевов и уменьшению размеров сеянцев [1]. Вопросам изучения влияния почвенно-экологических условий в лесных питомниках на биометрические показатели сеянцев посвящено много исследований [2-6], однако до сих пор они остаются недостаточно изученными и во многом спорными. Особенно слабо оценена роль в этом пространственной неоднородности почвенного агрофона в пределах полей питомника.
Цель исследования заключалась в изучении пространственной вариабельности почвенного агрофона лесного питомника и оценке ее влияния на биометрические показатели сеянцев сосны обыкновенной.
Объект и методика исследований. Объектом исследования являлся постоянный лесной питомник ГУ «Ибресинское лесничество» Управления лесного хозяйства Министерства природных ресурсов и экологии Чувашской Республики, который был организован в 1969 году на площади 11,8 га. Почва на территории питомника дерново-среднеподзолистая супесчаная на древнеаллювиальных слоистых песках, подстилаемых суглинками. Для оценки пространственной неоднородности почвенного агрофона и изучения влияния почвенно-экологических условий на биометрические показатели двухлетних сеянцев сосны обыкновенной нами была использована методика Н. А. Смир-
© Демаков Ю.П., Митякова И.И., 2011.
нова [2], согласно которой в посевном отделении лесного питомника было заложено в случайном порядке 30 учетных площадок. На каждой площадке послойно с глубины 0-10, 10-20 и 20-30 см отбирали почвенные образцы и определяли плотность сложения почвы, а также выкапывали 40-50 шт. сеянцев с подрезкой корней на глубине 25 см, у которых проводили замер многочисленных биометрических показателей. Полевые исследования почвы проводили согласно ОСТ 56-81-84 [7]. Основные физические и агрохимические свойства почв исследовали стандартными методами: гумус - по И.В. Тюрину [8], рНкс1 вытяжки - потенциометрически [9], подвижные формы фосфора и калия - по А.Т. Кирсанову [10], щелочно-гидролизуемый азот - по методу ЦИНАО [11], плотность сложения - методом ненарушенного образца. Экспериментальный материал обработан статистически на персональном компьютере с использованием программ Excel и STATISTICA.
Результаты исследований и их обсуждение. Обработка почвы, внесение удобрений, известкование и другие агротехнические приемы направлены на создание в пахотном горизонте почвы не только оптимального водного, воздушного и питательного
Т а б л и ц а 1
Изменчивость физико-химических параметров почвы
Параметр агрофона Значения статистических показателей*
Мх min max Sx V, %
Слой почвы 0-10 см
Влажность почвы, % 12,60 5,93 18,77 3,18 25,2
Плотность сложения почвы, г/см3 1,25 1,06 1,47 0,10 8,0
Реакция среды, рНкс1 6,81 5,90 7,30 0,32 4,8
Содержание гумуса, % 1,52 0,55 2,41 0,53 34,6
Содержание обменного калия, мг/кг 242,1 100,0 560,0 118,5 48,9
Содержание подвижного фосфора, мг/кг 260,9 110,0 560,0 87,8 33,7
Содержание азота, мг/кг 56,5 28,0 86,0 15,9 28,2
Слой почвы 10-20 см
Влажность почвы, % 14,25 6,53 21,32 3,35 23,5
Плотность сложения почвы, г/см3 1,36 1,13 1,55 0,11 8,4
Реакция среды, рНкс1 6,78 6,10 7,30 0,34 5,0
Содержание гумуса, % 1,58 0,40 3,38 0,71 44,8
Содержание обменного калия, мг/кг 286,9 55,0 1210,0 213,4 74,4
Содержание подвижного фосфора, мг/кг 264,3 122,0 488,0 82,3 31,1
Содержание азота, мг/кг 57,4 28,0 112,0 18,5 32,2
Слой почвы 20-30 см
Влажность почвы, % 13,83 8,75 25,03 3,92 28,3
Плотность сложения почвы, г/см3 1,44 1,22 1,60 0,10 7,1
Реакция среды, рНкс1 6,81 6,20 7,20 0,27 3,9
Содержание гумуса, % 1,46 0,33 3,60 0,81 55,2
Содержание обменного калия, мг/кг 269,5 75,0 720,0 145,9 54,1
Содержание подвижного фосфора, мг/кг 242,1 82,0 528,0 101,1 41,8
Содержание азота, мг/кг 56,5 28,0 126,0 20,3 35,9
Примечание: в этой и последующих таблицах Мх - среднее арифметическое значение признака; min, max - минимальное и максимальное значения; S x - среднее квадратическое (стандартное) отклонение, V - коэффициент вариации.
режимов, но выравненности агрофона, однако, как анализ полученных данных, сделать это довольно сложно, так как в пределах даже одного поля питомника отмечается довольно значительная пространственная горизонтальная и вертикальная неоднородность всего комплекса физических и химических показателей почвы (табл. 1).
Особенно велика изменчивость в почве содержания обменного калия, коэффициент вариации которого изменяется от 48,9 до 74,4 %. Меньше всего изменяются значения показателей рН и плотности сложения почвы (V = 3,9...8,4 %). Остальные показатели варьируют в пределах от 23,5 до 55,2 %.
Наибольший вклад в общую дисперсию показателей вносит горизонтальная неоднородность агрофона, а также случайные факторы, определяющие погрешность оценки (табл. 2) и снижающие тесноту связи между значениями параметров разных слоев почвы (табл. 3). Достоверность различий между слоями почвы статистически доказана только для показателей плотности сложения и влажности. Наиболее тесно связаны между собой показатели разных слоев почвы по показателям значений рН и содержания калия (г = 0,683.0,946), а наименее тесно - содержания азота (г = 0,268.0,339). Значения коэффициента корреляции у других показателей изменяются между различными слоями от 0,409 до 0,705, что свидетельствует о большой пространственной неоднородности почвенного агрофона, обусловленной как природными, так и антропогенными факторами, наиболее значимыми из которых являются механизмы и приемы обработки почвы, а также внесения удобрений.
Т а б л и ц а 2
Результаты дисперсионного анализа пространственной изменчивости параметров почвы
Параметр почвы Значения критерия Фишера* Доля влияния факторов, %
Слои почвы Площадки Слоев почвы Площадок Погрешностей
Влажность 3,39 3,62 4,0 61,8 34,2
Плотность сложения 66,9 6,14 36,2 48,1 15,7
Реакция среды, рНкс1 0,82 31,4 0,2 93,8 6,0
Содержание гумуса 0,64 6,55 0,5 76,2 23,3
Содержание калия 1,87 7,93 1,3 78,8 19,9
Содержание фосфора 1,30 5,48 1,2 72,4 26,4
Содержание азота 0,03 2,31 0,1 53,6 46,4
Примечание: для слоев почвы Fo,o5 = 3,16, а для площадок Fo,o5 = 1,66.
Т а б л и ц а 3
Изменчивость тесноты связи между параметрами разных слоев почвы
Параметр почвы Значения коэффициента корреляции между параметрами разных слоев
0-10 и 10-20 см 0-10 и 20-30 см 10-20 и 20-30 см
Влажность 0,692 0,601 0,409
Плотность сложения 0,588 0,697 0,603
Реакция среды, рНкс1 0,946 0,903 0,917
Содержание гумуса 0,705 0,683 0,658
Содержание калия 0,769 0,683 0,809
Содержание фосфора 0,607 0,545 0,670
Содержание азота 0,325 0,339 0,268
Высокая вариабельность значений физических и химических параметров почвы свидетельствует о необходимости использования при проведении исследований большого числа измерений. Объем выборки (N, шт.) для достижения требуемой точности учета можно без труда вычислить по известной формуле математической статистики N = (V/p)2, где V - коэффициент вариации, %; р - заданная точность опыта (относительная ошибка измерения), %. Расчеты показали, что плотность сложения почвы и величину рН можно оценить с погрешностью ±5 %, проведя измерения всего в 2-3 точках поля питомника (табл. 4). Для оценки влажности почвы с той же погрешностью требуется увеличить объем выборки уже до 22-32 учетных единиц (площадок), а содержания гумуса, азота и фосфора - до 32 - 122. Для оценки в почве калия, вариабельность содержания которого наиболее велика, и достижения 5%-й точности опыта необходимо провести измерения на 96-222 площадках, что не только трудоемко, но и вообще нереально. Для достижения 10%-й точности опыта учет необходимо провести на 24-56 площадках.
Т а б л и ц а 4
Необходимый объем выборки для оценки параметров почвы с заданной погрешностью
Параметр почвы Необходимое число точек учета в различных слоях при заданной погрешности
Слой 0-10 см Слой 10-20 см Слой 20-30 см
± 5 % ± 10 % ± 5 % ± 10 % ± 5 % ± 10 %
Влажность 26 7 22 6 32 8
Плотность сложения 3 2 3 2 3 2
Реакция среды, рНкс1 2 1 2 1 2 1
Содержание гумуса 48 12 80 20 122 31
Содержание калия 96 24 222 56 117 30
Содержание фосфора 46 12 39 10 70 18
Содержание азота 32 8 42 11 52 13
Исследования показали, что параметры почвы в той или иной степени сопряжены друг с другом (табл. 5). Особенно тесная зависимость отмечается между плотностью сложения почвы, её влажностью и содержанием в ней гумуса, который в принципе и влияет на изменение первых двух параметров. Теснота связи между данными параметрами в разных слоях почвы различна, что может быть обусловлено воздействием солнечного света и воздушного режима.
Зависимость плотности сложения (ПС, г/см3 ) и влажности почвы %) от содержания гумуса (Х, %) описывают следующие уравнения регрессии:
ПС0.10 см = 0,37-ехр(-0,649-Х1,629 ) + 1,13; К2 = 0,509;
ПС 10-20 см = 0,37-ехр(-0,196-Х1,904 ) + 1,13; К2 = 0,519;
ПС 20-30 см = 0,47-ехр(-0,270-Х1,251 ) + 1,13; К2 = 0,657;
Ж 0-10 см = 11,83-(Х-0 , 3 ) 0,449; К2 = 0,712;
Ж10-20 см = 13,92-(Х-0,3)0,205; К2 = 0,295;
Ж 20-30 см = 12,19-Х0,420; К2 = 0,625.
Зависимость же влажности почвы от плотности её сложения и содержания гумуса описывают следующие множественные нелинейные мультипликативные уравнения:
Жo-io см = 30,8-Х 0,449-ехр(-1,00-ПС ) + 1,7; R2 = 0,775; W10-20 см = 70,8-(Х- 0,3 ) 0,449-ехр(-1,57-ПС ) + 5,6; R2 = 0,420; W20-30 см = 183,9-(Х-0,3 ) 0,691-exp(-2,71-ПС) + 9,4; R2 = 0,699.
Т а б л и ц а 5
Теснота взаимосвязей между физико-химическими параметрами почвы
Параметр почвы Значения коэффициента корреляции между параметрами
1 2 3 4 5 6
Слой почвы 0-10 см
Влажность 1,00
Плотность сложения -0,75 1,00
Реакция среды, рНкс1 -0,42 0,42 1,00
Содержание гумуса 0,84 -0,65 -0,36 1,00
Содержание калия 0,48 -0,41 -0,51 0,32 1,00
Содержание фосфора 0,06 -0,03 0,28 0,11 -0,02 1,00
Содержание азота 0,60 -0,32 -0,12 0,66 0,09 0,19
Слой почвы 10-20 см
Влажность 1,00
Плотность сложения -0,61 1,00
Реакция среды, рНкс1 -0,21 0,50 1,00
Содержание гумуса 0,52 -0,73 -0,45 1,00
Содержание калия 0,33 -0,43 -0,56 0,53 1,00
Содержание фосфора 0,18 -0,22 0,01 0,05 0,38 1,00
Содержание азота 0,58 -0,81 -0,58 0,66 0,46 0,13
Слой почвы 20-30 см
Влажность 1,00
Плотность сложения -0,78 1,00
Реакция среды, рНкс1 -0,30 0,54 1,00
Содержание гумуса 0,80 -0,79 -0,51 1,00
Содержание калия 0,54 -0,69 -0,73 0,52 1,00
Содержание фосфора 0,30 -0,27 0,09 0,34 0,14 1,00
Содержание азота 0,27 -0,37 -0,32 0,46 0,31 0,26
Наиболее тесная связь между параметрами отмечается в слое почвы 0-10 см, а наименьшая - в слое 10-20 см.
Содержание обменного калия, как свидетельствуют приведенные данные, связано обратной зависимостью со значением рН, а теснота связи между параметрами увеличивается с глубиной. Между содержанием азота и гумуса отмечается средняя теснота связи (г = 0,46.0,66). Связь между остальными показателями довольно слабая.
В пределах одного поля питомника не остаются постоянными и биометрические показатели сеянцев сосны (табл. 6). Наиболее изменчивым параметром является масса стволика сеянцев (V = 55,0 %), а наименее изменчивым - доля массы хвои (V = 8,1 %). Коэффициент вариации остальных биометрических показателей изменяется в пределах от 18,4 до 38,7 %.
Между многими биометрическими параметрами сеянцев, как показали расчеты, отмечается довольно тесная зависимость (табл. 7). Особенно тесная зависимость отмечается между высотой и массой стволика (г = 0,94), массой хвои и общей массой сеян-
Т а б л и ц а 6
Изменчивость биометрических параметров сеянцев
Биометрический параметр Значения статистических показателей
Мх min max Sx V, %
Средняя высота сеянцев, см 12,5 8,5 19,9 2,95 23,6
Диаметр шейки корня, мм 2,9 1,7 4,4 0,65 22,3
Масса хвои 100 сеянцев, г 132,7 66,9 273,2 50,6 38,1
Масса стволика 100 сеянцев, г 56,3 17,8 144,2 31,0 55,0
Масса мелких корней 100 сеянцев, г 16,9 10,9 26,8 3,7 21,7
Масса всех корней 100 сеянцев, г 52,3 26,4 95,8 16,7 32,0
Общая масса 100 сеянцев, г 244,1 125,5 505,2 94,4 38,7
Доля массы хвои, % 54,6 43,7 61,1 4,4 8,1
Доля массы стволиков, % 22,1 12,4 30,2 4,6 20,6
Доля массы мелких корней, % 7,7 3,4 13,4 2,6 34,2
Доля массы всех корней, % 22,1 14,3 29,6 4,1 18,4
цев (г = 0,98), массой стволиков и общей массой сеянцев (г = 0,96). Масса же мелких корней практически не связана с остальными параметрами двухлетних сеянцев. Зависимости между биометрическими показателями сеянцев описывают следующие уравнения регрессии:
d = 0,35^0,839; К2 = 0,767;
Мо6щ. = 17,67^0,839^1,033; К2 = 0,877;
Мкорн. = 5,35-^,640^0,610; К2 = 0,724;
Мете. = 0,69^1,353^0,863; К2 = 0,924;
Мхвои = 15,24^0,359^1,157; К2 = 0,765; где d - диаметр стволика у шейки корня, мм; h - высота сеянца, см; М - масса 100 сеянцев в целом (Мобщ. ), а также корней, стволиков и хвои, г.
Т а б л и ц а 7
Теснота взаимосвязи между биометрическими параметрами сеянцев
Биометрический параметр Значения коэффициента корреляции между параметрами
1 2 3 4 5 6
Высота сеянца 1,00
Диаметр шейки корня 0,88 1,00
Масса хвои 0,80 0,86 1,00
Масса стволиков 0,94 0,91 0,90 1,00
Масса мелких корней 0,01 0,06 0,29 0,10 1,00
Масса всех корней 0,82 0,82 0,85 0,86 0,32 1,00
Общая масса сеянцев 0,88 0,91 0,98 0,96 0,24 0,89
Проведенные исследования показали, что степень развития сеянцев лимитируют всего два фактора: плотность сложения почвы (ПС, г/см3) и содержание в ней обменного калия (К, мг/кг). Причем влияние этих факторов проявляется в наибольшей степени в том случае, когда из трех значений, соответствующих разным слоям почвы, взято ми-
нимальное. Математические модели, отражающие эти зависимости и описывающие от 31,4 до 64,7% исходной дисперсии показателей, выглядят следующим образом: h = 1,724-К0,750-ехр(-2,602-ПС) + 8,54; R2 = 0,647; Мыщ. = 2,15-К1,362-ехр(-3,362-ПС) + 184,0; К2 = 0,445; Мств. = 7,54-К0,950-ехр(-3,046-ПС) + 25,7; К2 = 0,558; Мхвои = 0,19-К1,675-ехр(-3,676-ПС) + 110,9; К2 = 0,314; МКорН. = 5,11-К1,076-ехр(-4,014-ПС) + 38,9; К2 = 0,559.
Действие остальных показателей состояния почв не проявилось из-за того, что их значения соответствуют оптимуму потребности сеянцев и не лимитируют их развитие. Показатели развития сеянцев, как можно предполагать, во многом зависят от биологических параметров почв (численности мелких членистоногих, микоризных и патогенных грибов, микроорганизмов), степень распространения которых, несомненно, также пространственно неоднородна, как и физико-химических параметров почвы.
Выводы.
1. Агрофон лесного питомника, несмотря на технологические приемы, направленные на создание в пахотном горизонте не только оптимального водного, воздушного и питательного режимов, но и выравненности всего комплекса физических и химических показателей почвы, довольно неоднороден как в горизонтальном, так и вертикальном планах. Особенно сильно варьирует содержание в почве обменного калия. Меньше же всего изменяются значения показателей рН и плотности сложения почвы.
2. Наибольший вклад в общую дисперсию показателей вносит горизонтальная неоднородность агрофона, а также случайные факторы, определяющие погрешность оценки и снижающие тесноту связи между значениями параметров разных слоев почвы. Достоверность различий между слоями почвы статистически значима только для показателей плотности сложения и влажности.
3. Высокая вариабельность физических и химических параметров почвы свидетельствует о необходимости использования при проведении исследований большого числа измерений. Так, для оценки влажности почвы с погрешностью ±5 % объем выборки должен составлять 22-32 учетные единицы, а содержания гумуса, азота и фосфора - до 32 ... 122. Для оценки в почве калия с той же погрешностью необходимо провести измерения на 96.222 площадках. Плотность сложения почвы и величину рН можно оценить с погрешностью ±5 %, проведя измерения всего в 2-3 точках поля питомника.
4. Все параметры почвы в той или иной степени сопряжены друг с другом. Особенно тесная зависимость отмечается между плотностью сложения почвы, её влажностью и содержанием в ней гумуса. Теснота связи между данными параметрами в разных слоях почвы неодинакова, что может быть обусловлено воздействием солнечного света и воздушного режима.
5. Степень развития сеянцев лимитируют всего два фактора: плотность сложения почвы и содержание в ней обменного калия. Причем влияние этих факторов проявляется в наибольшей степени в том случае, когда из трех значений, соответствующих разным слоям почвы, взято минимальное. Действие остальных показателей состояния почв не проявилось из-за того, что их значения соответствуют оптимуму потребности сеянцев и не лимитируют их развитие.
6. Показатели развития сеянцев, как можно предполагать, во многом зависят от биологических параметров почв (численности мелких членистоногих, микоризных и патогенных грибов, микроорганизмов), степень распространения которых, несомненно, также пространственно неоднородна, как и физико-химических параметров почвы.
Список литературы
1. Романов, Е.М. Деградация и восстановление плодородия почв лесных питомников Среднего Поволжья / Е.М. Романов, А.А. Мамаев, С.С. Гордеева // Экология и леса Поволжья: Сб. науч. статей. Вып. 2. - Йошкар-Ола: МарГТУ, 2002. -С. 47-67.
2. Смирнов, Н.А. Выращивание посадочного материала для лесовосстановления / Н.А. Смирнов. -М.: Лесная промышленность, 1981. - 169 с.
3. Васильев, Н.Д. Интенсификация выращивания сеянцев сосны обыкновенной в связи с почвенными условиями в лесном Среднем Заволжье: автореф. дис. ... канд. с.-х. наук / Н.Д. Васильев. -М.: МЛТИ, 1982. - 20 с.
4. Редько, Г.И. Лесные питомники России / Г.И.Редько, Н.А.Бабич, Н.Г.Редько. - Вологда, 1996. -414 с.
5. Романов, Е.М. Выращивание сеянцев древесных растений: биоэкологические и агротехнические аспекты / Е.М. Романов. - Йошкар-Ола: МарГТУ, 2000. - 500 с.
6. Чурагулова, З.С. Почвы лесных питомников Южного Урала: состояние, изменения, оптимизация / З.С. Чурагулова. - М.: ТИССО, 2003. - 312 с.
7. ОСТ 56-81-84. Полевые исследования почвы. Порядок и способы проведения работ, основные требования к результатам.
8. ГОСТ 26213-84. Охрана природы. Почвы. Определение гумуса по методу Тюрина в модификации ЦИНАО.
9. ГОСТ 26483-85. Охрана природы. Почвы. Приготовление солевой вытяжки и определение её рН по методу ЦИНАО.
10. ГОСТ 26213-84. Охрана природы. Почвы. Определение подвижных форм фосфора и калия по методу Кирсанова в модификации ЦИНАО.
11. ГОСТ 26213-84. Охрана природы. Почвы. Определение обменного аммония по методу ЦИНАО.
Статья поступила в редакцию 14.03.11.
Yu. P. Demakov, 1.1. Mityakova
SPATIAL HETEROGENEITY OF SOIL AGRICULTURAL BACKGROUND OF FOREST NURSERY AND ITS INFLUENCE ON BIOMETRICS PARAMETERS OF SEEDLINGS
Spatial variability of physical and chemical parameters of different soil layers offorest nursery was estimated. Factors influencing on biometrics parameters of Scotch pine seedlings were identified.
Key words: forest nurseries, soil, physical and chemical parameters, spatial variability, seedlings of Scots pine, biometrics.
ДЕМАКОВ Юрий Петрович - доктор биологических наук, профессор кафедры управления природопользованием и лесозащиты МарГТУ. Область научных интересов -экология, биогеоценология, биометрия. Автор 220 научных и учебно-методических работ, в том числе трех монографий и пяти учебных пособий.
E-mail: [email protected]
МИТЯКОВА Ирина Ивановна - кандидат биологических наук, доцент кафедры экологии, почвоведения и природопользования МарГТУ. Область научных интересов -почвенная экология. Автор 42 публикаций.
E-mail: [email protected]
