CC BY
16
УДК 631.41
В. И. Савич, С. Л. Белопухов, М. Е. Котенко, В. В. Гукалов, К. С. Дубонос, И. Г. Шайхиев
АГРОЭКОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ПРИ ВЫДЕЛЕНИИ ГУМАТОВ
ИЗ БИОМАССЫ РАСТЕНИЙ И ОРГАНИЧЕСКИХ УДОБРЕНИЙ.
6. ОЦЕНКА СОСТОЯНИЯ СИСТЕМЫ ПОЧВА-РАСТЕНИЕ
ПО ИХ МОРФОЛОГИЧЕСКИМ ПРИЗНАКАМ
Ключевые слова: морфологические признаки почв и растений, цвет почв, степень гидроморфности, оподзаливание.
Предлагается проводить оценку состояния системы почва-растение по морфологическим признакам -цветовой гамме почв, рассчитываемой методом компьютерной диагностики, и морфологическим признакам развивающихся на почве растений. Показано, что внешнее проявление контролируемых свойств почв и растений может быть обусловлено сочетанием нескольких причин. Установлено, что цветовая гамма, оцениваемая в полевых и камеральных условиях методом компьютерной диагностики в цветовых системах CMYK, Lab, RGB, более объективно характеризует свойства почв, их генезис и плодородие, чем визуальное определение цвета.
Keywords: morphological characteristics of the soil and plants, soil color, degree of hydromorphic, opodzalivanie
It is proposed to assess the state of the system soil-plant morphological features - colors of soil, calculated by computer diagnostics and morphological features of plants growing on the soil. It is shown that the outward manifestation of controlled properties of soils and plants may be due to a combination of several factors. It was found that the color scheme, estimated in field and laboratory conditions, computer diagnostics method in CMYK color systems, Lab, RGB, objectively characterizes the properties of soils, their genesis and fertility than the visual determination of color.
Введение
Свойства почв, протекающие в них процессы и режимы в определенной степени идентифицируются по внешнему виду почв - по морфологическим признакам (сущность является - явление существенно). Однако, как установлено в проведенных нами ранее исследованиях существует многопричинность появления определенных внешних свойств почв, в т.ч. коллоидно-химических [1-4] полигенетический путь образования и многофункциональность влияния свойств почв на их агроэкологические функции с проявлением эффектов синергизма и антагонизма [5-7]. Для идентификации по морфологическим параметрам свойств почв необходимо использование уравнений множественной регрессии, где в качестве независимых переменных учитывается несколько морфологических признаков как для количественных, так и для качественных показателей. Аналогичная ситуация по нашим данным возникает и при оценке недостатка элементов питания в почве по внешнему виду растений [8]. По полученным нами данным, полезную информацию для агроэкологического состояния системы дает оценка цветовой гаммы горизонтов в разных цветовых системах методом компьютерной диагностики и оценка площадей и форм горизонтов и микрозон этим методом.
Объекты и методы исследования
Объектом исследования выбраны мерзлотно-таежные почвы Якутии [10-13], дерново-подзолистые почвы разной степени гидроморфности [11], обыкновенные черноземы и развивающиеся на них в производственном опыте растения кукурузы [9].
Проанализированы мерзлотно-таежные почвы Якутии, имеющие, по определению И.А. Соколова, следующие названия: р-1 - мерзлотно-таежная палевая среднесуглинистая на тяжелых карбонатных суглинках (водораздельное плато, лиственничный лес) - вариант 1; р-2 - мерзлотно-таежная палевая оподзоленная на щебнистой супеси - вариант 2; р-3 - мерзлотно-таежная иллювиально-гумусовая оподзоленная супесчаная - вариант 3; р-4 -мерзлотно-таежная иллювиально-гумусовая
оподзоленная торфянистая супесчаная - вариант 4; р-5 - мерзлотно-таежная иллювиально-железистая гумусовая, оподзоленная среднесуглинистая на погребенном делювии - вариант 5 [12]. В Московской области для анализа были отобраны дерново-подзолистые среднесуглинистые почвы разной степени гидроморфности на покровных суглинках - вариант 6 [11].
Методика исследования состояла в оценке свойств почв общепринятыми методами, в определении отражательной способности почв методом компьютерной диагностики в цветовых системах CMYK, RGB, Lab [11] в оценке морфологических признаков растений кукурузы, развивающихся на обыкновенном черноземе при внесении сложного компоста. Использован спектрофотометр Gretag Macbeth Eya-One photo Eye-One и программное обеспечение Shaven Profile Maker 5.
В проведенных исследованиях на обыкновенном черноземе Краснодарского края оценивалось влияние внесения сложного компоста на плодородие почв, морфологические показатели растений и урожай зерна кукурузы. Сложный компост, вносимый в дозе 65 т/га 1 раз в 5 лет, состоял из полуперепревшего навоза - 25 т на делянку,
фосфогипса - 3,5 т на делянку, растительных остатков - 4 т на делянку (при отношении в растительных послеуборочных остатках остатков подсолнечника, сахарной свеклы, древесных опилок 7,0:1,5:1,0 (площадь делянки 60 *110 м) [9] .
Результаты и обсуждение
Визуальное определение цветовой гаммы почв является неточным и зависит от индивидуального восприятия человека. Для уточнения оценки цвета в полевых условиях существуют шкалы Максвелла и Росгипрозема. В работе предлагается оценка цветовой гаммы почв методом компьютерной диагностики. Пример такого определения приведен в таблице 1.
Таблица 1 - Цветовая гамма мерзлотно-таежных почв
Почва, (вариант) Гориз онт Цветовая гамма в системе CMYK* Площадь ржавых 2 пятен, с
Р-1 (1) Ап 57:54:73:41 1,7
А2В 42:40:68:10 1,0
В 45:44:76:18 102,0
Р-2 (2) Ап 47:40:44:5 1,3
А2В 40:36:43:2 9,3
В 43:37:54:6 5,7
Р-3 (3) Ап 59:53:61:31 5,5
А2В 61:59:72:56 5,3
В 60:59:78:58 123,0
Р-4 (4) Ап 67:60:65:56 77,0
А2В 69:64:69:76 279,0
В 58:56:76:49 69,0
Р-5 (5) Ап 56:50:76:35 11,6
А2В 64:58:73:60 65,0
В 60:5:82:58 1,9
Примечание: *) С - голубой цвет; М - пурпурный; Y -желтый; К - черный цвет
Как видно из представленных данных, для гумусовых разрезов 1 (вариант 1) и 2 (вариант 2) характерны большие величины К; для горизонтов А2В - меньшие. Разрезы 3, 4, 5 (варианты 3-5) являются мерзлотно-таежными иллювиально-гумусовыми и в них большее значение К характерно для горизонтов А2В и В. Для горизонтов В исследуемых почв характерно большая интенсивность желтого цвета и суммы желтого и пурпурного, что соответствует и большему содержанию в них железа. Информативно выделение в профиле почв и в отдельных
горизонтах пло ади отдельн х цветов х пятен при блокировке других цветов. Как видно из представленных данных, большая площадь ржавых пятен характерна для подпахотных слоев, т.к. в гумусовых горизонтах железо связано в значительной степени в комплексные органо-минеральные соединения. В связи с указанным, цвет почв не полностью коррелирует с содержанием, как форм железа, так и его водорастворимых форм и с валовым содержанием. В то же время, в разрезах 1 и 2 определено наименьшее содержание водорастворимых соединений железа 0,01-0,27 мг/л, что соответствует наименьшей интенсивности цветов М и У от 36 до 54. Для разрезов 3, 4, 5 (варианты 3-5) характерно большое содержание водорастворимого железа от 1 до 27,9 мг/л. Это соответствует и большей интенсивности цветов М и У от 50 до 82. Для верхнего слоя горизонта 2 (вариант 2) характерно содержание гумуса 3,9±0,6 %; и интенсивность в диапазоне К = 5. В то же время, для горизонта Ап разреза 4 (вариант 4) содержание органического вещества 9,7±0,9 %, оптическая плотность в диапазоне К = 55.
По данным Павлова Б.А. [10], аналогичные почвы содержат в А] - 0,14 % Fe2O3 по Тамму и 0,45 % по Меру и Джексону, а в ВОХ - 0,07 и 0,32 %, в осветленном горизонте соответственно 0,12 и 0,22 %.
Содержание окисленного железа в почвах определяет охристый цвет почв, что иллюстрируют данные следующей таблицы (где R - красный цвет; G - зеленый, В - голубой).
Таблица 2 - Цветовая характеристика торфянисто-подзолистых песчаных почв
Горизонт Цветовая гамма Содержание железа
R G B в Н2О, мг/л валовое содержание, мг/100 г *
V 124 116 125 0,6 8,0
Вохр. 223 180 139 1,4 280
*) во фракции < 0,25 мм
По полученным данным установлено, что степень оглеения почв (Г) коррелировала с
отражением почв в системе CMYK и Lab в соответствии с алгоритмом
Г = f(M/-1(K)-1-(Y)-1(a)-1(a/b)-1(L) Это иллюстрируется данными таблицы 3.
Таблица 3 - Изменение цветовой гаммы дерново-подзолистых почв в системах CMYK и Lab (n=20) при развитии оглеения
Условия увеличения С М Y K L A b
сухая почва 44,2± 0,4 45,2± 0,4 64,6± 0,6 14,4± 0,7 51,6± 0,5 3,3± 0,2 16,4± 0,4
компостированная 2 недели при избытке Н2О 42,6± 0,4 45,07±0,4 64,9± 0,4 13,5± 0,6 52,4± 0,5 4,2± 0,2 18,0± 0,3
+ гидроксиламин 34,9± 0,7 35,9± 0,5 55,2± 0,5 3,6±0,4 63,0± 0,6 3,2± 0,2 18,2± 0,4
При этом величина Eh (мВ) по хлорсеребряному электроду составляла в сухой почве 267,5±9,7 мВ; а при добавлении гидроксиламина - 96,7±1,7 мВ.
По полученным нами данным, цветовая гамма почв, оцениваемая методом компьютерной диагностики, позволяет хорошо идентифицировать степень оглеения почв таежно-лесной зоны. При этом информативными остаются, как показатели цветов в цветовых системах CMYK, Lab, RGB, HSB, так и соотношения цветов в этих системах. Это иллюстрируют данные следующей таблицы 4.
Таблица 4 - Содержание подвижных форм железа в подзолистых среднесуглинистых почвах разной степени гидроморфности на покровных суглинках (Лесная опытная дача РГАУ-МСХА) в системе CIE-Lab
Почва ДП2 с/Р2 L* a * b *
глееватая глеевая 48,7±1,1 57,4±0,4 7,1±0,3 8,5±0,1 18,6±0,2 23,1±0,1
*) L - светлота, а - краснота, Ь - голубизна
Отношение Fe:Mn в глеевой и в глееватой почве в вытяжке Н2О составляло 286,7/9,3 - в вытяжке 0,1 н Н^04 - 24,4/7,3. В глеевой почве содержание водорастворимого железа составляло 17,2 мг/л, в глееватой - 1,9.
Каждая хромофорная группа, содержащаяся в почве, поглощает и отражает цвет в разных длинах волн (более сильно в какой-то одной характеристической длине волны). При этом разные хромофорные группы поглощают и отражают цвет в пределах одних диапазонов длин волн. В связи с этим, для расшифровки свойств почв по цвету
предпочтительнее использовать закономерности отражательной способности почв в разных длинах волн:
У = K + k1X1 + k2X2.....+ knXn,
где k - коэффициент пропорциональности; Х - отражение при определенной длине волны.
При этом следует учитывать экспоненциальный характер зависимости и проявления эффектов синергизма и антагонизма взаимовлияния влияния отдельных хромофорных групп на цветовую гамму почв, которая в значительной степени зависит от освещенности, влажности почв, оструктуренности, зависит от продолжительности времени, прошедшего от изъятия образца из профиля почв до определения цвета. Это приводит к ошибкам оценки цветовой гаммы почв в полевых условиях, к неточности интерпретации космических снимков, к ошибкам в рекомендациях по
сельскохозяйственному использованию почв.
В проведенных нами исследованиях показана возможность оценки цветовой гаммы почв в полевых условиях с использованием спектрофотометра марки «Gretag Macbeth Eya-One photo Eye-One» и программного обеспечения «Shaven Profile Maker 5». Закономерности изменения цвета почв во времени были информативны для характеристики генезиса и плодородия почв. В проведенных исследованиях показана информативность для оценки плодородия почв, определения морфологических параметров растений (табл. 5).
Таблица 5 - Изменение свойств почв и морфологических параметров растений кукурузы при внесении в почву разработанного сложного компоста
Параметры Изменение в % к контролю Параметры Изменение в % к контролю
Коэффициент структурности 125,0 С^ 92,5
Пористость 111,1 Поверхность корней 158,6
Влагоемкость 122,6 Рабочая поверхность корней 191,6
Влажность 114,7 Площадь листьев в фазе 5-го листа 180,0
Органическое вещество 113,5 Количество проводящих пучков 200,0
Общий азот 114,3 Высота растений 113,8
Снижение рН 90,1 Количество початков на растении 135,7
Увеличение численности дождевых червей 420,6 Масса 1000 семян 105,7
Численность энхареид 556,6 Урожай зерна 132,4
По полученным данным, оптимизацию свойств почв при внесении сложного компоста на 132,0±5,9 % по сравнению с контролем привела к оптимизации морфологических показателей растений на 154,7±17,2 %, и к увеличению урожая на 132,4%. По полученным ранее данным, в
контрольно варианте цвет листьев в систе е CMYK характеризовался показателями 61,2±0,5; 37,2±1,3; 58,8±1,5 и 45,5±2,0 соответственно. При дефиците азота -15,2±1,1; 23,7±0,9; 80,2±0,8 и 5,0±0,4; при дефиците фосфора - 50,0±0,6; 19,7±0,2; 77,2±1,6 и 19,2±1,7; при дефиците калия
соответственно 52,0±0,6; 21,0±1,0; 74,2±1,7 и 21,7±1,1, т.е. при дефиците NPK уменьшалась интенсивность зеленого цвета и возрастала желтого.
Заключение
Характеристика морфологических признаков почв и растений по данным компьютерного анализа является более объективной по сравнению с визуальной оценкой, и может быть использована как экспресс метод агроэкологической оценки и плодородия почв, физиологического состояния растений.
Литература
1. М.Д. Маслова, С.Л. Белопухов, Е.С. Тимохина, Т.В. Шнее, Е.Э. Нефедьева, И.Г. Шайхиев, Вестник Казанского технологического университета, 17, 21, 121-128 (2014).
2. Т.В. Шнее, В.А. Кончиц, А.А. Шевченко, С.Л. Белопухов, Бутлеровские сообщения, 21, 7, 74-77 (2010).
3. Т.В. Шнее, С.Э. Старых, Т.А. Фёдорова, М.Д. Маслова, С.Л. Белопухов, А.А. Шевченко, Плодородие, 3(78), 3335 (2014).
4. В.И. Савич, С.Л. Белопухов, В.А. Седых, Д.Н. Никиточкин, Известия ТСХА, 6, 5-11 (2013).
5. В.И. Савич, С.Л. Белопухов, М.Д. Алифиров, Г.Н. Кушнир, И.Г. Шайхиев, Вестник технологического университета, 18, 20, 238-242 (20150.
6. В.И. Савич, С.Л. Белопухов, В.В. Гукалов, Д.С. Скрябина, И.Г. Шайхиев, Вестник технологического университета, 18, 12, 185-189 (2015).
7. В.И. Савич, Ж. Норовсурэн, С.Л. Белопухов, Д.Н. Никиточкин, В.В. Гукалов, И.Г. Шайхиев, Вестник технологического университета, 18, 24, 121-127 (2015).
8. С.Л. Белопухов, Н.П. Буряков, Т.В. Шнее, Химическая сертификация сельскохозяйственной продукции. Учебное пособие для студентов. РГАУ-МСХА им. К. А. Тимирязева. Москва, 2012. 160 с.
9. В.В. Гукалов, Автореф. ... дисс. канд. с/х наук. - М.: 2016. 19 с.
10. Б.А. Павлов, С.В. Вариончик, М.Р. Павлова, материалы V Международной научной конференции «Отражение био-, гео-, антропосферных взаимодействий в почвах и почвенном покрове», ТГУ, Томск, 2015. С. 73-75.
11. В.И. Савич, Р.Ф. Байбеков, Д.Н. Егоров, Агрономическая оценка отражательной способности системы почва-растение методом компьютерной диагностики, РГАУ-МСХА, М., 2006. 216 с.
12. В.И. Савич, Д.С. Скрябина, Ж. Норовсурэн, Известия
ТСХА, 2, 5-13 (2015).
13. Д.С. Скрябина, Автореф. дисс. ... к.б.н., РГАУ-МСХА,
М., 2015. 18 с.
© В. И. Савич - д.с/х.н., профессор кафедры почвоведения, геологии и ландшафтоведения Российского государственного аграрного университета - МСХА имени К.А. Тимирязева E-mail: savich.mail@gmail.com. Тел. 8-499-976-32-16; С. Л. Белопухов - д.с/х.н., профессор, заведующий кафедрой физической и органической химии того же вуза, E-mail belopuhov@mail.ru, тел. 8-499-976-32-16; К.С. Дубонос - аспирант того же вуза; В .В. Гукалов - к.с/х.н., старший преподаватель кафедры общей биологии и экологии Кубанского государственного аграрного университета; М. Е. Котенко -к.б.н., проректор по воспитательной и социальной работе Дагестанского Государственного Университета, И. Г. Шайхиев -д.т.н., заведующий кафедрой инженерной экологии Казанского национального исследовательского технологического университета.
© V. I Savich - Doctor of Agricultural Sciences, Professor, Department of Soil Science, Geology and Landscape of the Russian State Agrarian University, E-mail: savich.mail@gmail.com. Tel. 8-499-976-32-16; S.L. Belopukhov - Doctor of Agricultural Sciences, Professor, Head of the Department of Physical and Organic Chemistry of the same University, E-mail belopuhov@mail.ru, tel.. 8-499976-32-16; K. S. Dubonos - graduate student of the same university; V. V. Gukalov - PhD, Senior Lecturer, Department of General Biology and Ecology of the Kuban State Agrarian University; M. E. Kotenko - PhD, vice-rector for educational and social work of the Dagestan State University, I G. Shaikhiev - PhD, Head of the Department of Environmental Engineering of Kazan National Research Technological University.
