CC BY
16
=——— ОТРАСЛЕВЫЕ ПРОБЛЕМЫ ОСВОЕНИЯ ЗАСУШЛИВЫХ ЗЕМЕЛЬ—==—
УДК 631.48; 930.26
МОНИТОРИНГ ИЗМЕНЕНИЯ ДИСПЕРСНОСТИ И ГУМУСНОСТИ ПОЧВ В УСЛОВИЯХ АРИДИЗАЦИИ КЛИМАТА
© 2014 г. В.С. Крыщенко, Т.В. Рыбянец, Н.Е. Кравцова, О.А. Бирюкова,
И.В.Замулина
Южный федеральный университет Россия, 344090 г. Ростов-на-Дону, пр. Стачки 194/1, E-mail:kravcova_n@mail.ru
Поступила 1.11.2012
Работа посвящена проблеме оценки состояний равновесия полидисперсной системы почв и их гумусности в условиях аридизации климата. Выявлено наличие общего принципа взаимосвязи и взаимозависимости между содержанием гумуса в физической глине, содержанием гумуса в почве и константами динамического равновесия полидисперсной системы почв. Ключевые слова: полидисперсная система почв, гранулометрические фракции, гумус, математическая модель.
Введение
Полидисперсная системы почв (ПСП) - это целостная совокупность условно неделимых биокосных и косных элементов (массы элементарных почвенных частиц, ультра- и микроагрегатов менее 1 мкм, 1-10 мкм, суммы частиц менее и более 10 мкм), объединенных механизмом обратной связи (агрегирование—диспергирование), сопровождаемой дублирующим механизмом (инертные—лабильные компоненты), реагирующих на изменение среды смещением динамического равновесия, с последующим стремлением к устойчивому состоянию.
Любое движение (равновесие) является относительным. Его следует рассматривать лишь по отношению к какому-либо телу или условно неделимой массе. Нельзя указывать, например, для почвы, что существует равновесие вообще, можно определить равновесие по отношению к конкретной какой-то «точке отсчета», «системе координат» или «эталону сравнения».
Многофакторность почвообразования и динамика погоды и климата способствуют тому, что один и тот же почвенный образец во времени мы застаем в различных состояниях равновесия (табл. 1, графа 8). При интерпретации данных гранулометрического состава вышеуказанного характера возникает методологическая проблема - как «сравнить несравнимое», когда все элементы ПСП переменны и их содержание непредсказуемо. Переменно как содержание ила и пыли в физической глине, так и сама масса этой фракции в разновидностях почв, т.е. переменные в переменной. В этом случае при моделировании «поведения» ПСП нами использовалась общенаучная аксиома - «ищите постоянные величины среди множества переменных». Они записаны в самой почве, выявляются в результате анализа ее дисперсности и могут служить «точкой отсчета» или эталоном сравнения.
Постоянные (константные) величины в анализе дисперсности почв играют важную роль. Сравнивая константу и фактические данные дисперсности почвенных образцов, можно оценить, насколько дисперсность испытуемого образца удалена от «идеального состояния равновесия», которое будет охарактеризовано ниже.
Объекты и методы исследования
Для экспериментов были использованы образцы сухостепных, степных и лесостепных автоморфных почв, с иловатой (Ростовская область) и пылеватой (Кабардино-Балкария) физической глиной. Привлекались и литературные данные. Также проводился мониторинг изменения дисперсности по сезонам и годам почв Ботанического сада ЮФУ в 2009-2011 годах. Гранулометрический анализ выполнялся по Н.А. Качинскому, с пирофосфатной пробоподготовкой. Фракция физической глины отбиралась с того же цилиндра, где выполнялся гранулометрический
Таблица 1 Динамика дисперсности и гумусности чернозема обыкновенного карбонатного ботанического сада ЮФУ на фоне аридизации климата. Table 1. Dynamics of dispersity and humus content of common calcareous black soil in the botanic garden of the Southern Federal University in increasingly arid climate conditions.
Горизонт и глубина взятия образца, см Фактическое содержание фракций, % Базовое содержание фракций, % Насыщенность физической глины илом (пылью), % Константы динамического равновесия Содержание гумуса, % Насыщенность физической глины гумусом, %
<0,01 мм <0,001 мм 0,001 -0,01 мм <0,001 мм 0,001 -0,01 мм В почве В физической глине
Аналити ческое Расчетное
z аф вф adt в* V K y x xF W*
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
Взятие образца 30.05.09
А 10-25 45.3 23.8 21.5 20.5 24.8 52.8 1.160 4.6 5.3 5.3 11.3
АВ 25-60 43.1 22.5 20.6 18.5 24.5 52.2 1.211 4.9 6.0 5.9 13.6
В 60-80 41.3 21.3 20.0 17.0 24.3 51.3 1.242 3.5 4.4 4.3 10.4
Взятие образца 10.07.09
А 10-25 43.9 24.7 19.2 19.2 24.6 56.3 1.282 5.2 6.9 6.6 15.0
АВ 25-60 42.8 14.9 27.9* 18.3 24.5 65.1 1.524 3.3 5.0 5.0 11.7
В 60-80 41.5 13.6 27.9* 17.2 24.3 67.2 1.620 2.6 4.2 4.2 10.1
Взятие образца 27.10.09
А 10-25 44.0 10.4 33.6* 19.3 24.6 76.4 1,735 3,6 6,3 6.2 14.0
АВ 25-60 44.0 13.4 33.6* 19.3 24.6 76.4 1,735 4,3 6,8 7.4 16.8
В 60-80 41.1 11.3 29.8* 16.8 24.2 72.5 1.764 2.1 3.7 3.7 9.0
Взятие образца 06.05.10 (засушливый год)
А 10-25 40.7 17.0 23.7* 16.5 24.2 58.2 1.429 3.6 4.1 5.1 12.5
АВ 25-60 43.6 18.2 25.4* 19.1 24.5 58.2 1.335 3.1 3.6 4.1 9.4
В 60-80 39.6 16.6 23.0* 15.9 24.0 57.6 1.443 н/о - - -
Взятие образца 10.07.10 (засушливый год)
А 10-25 41.7 22.9 18.5 17.1 24.3 55.3 1.247 3.4 4.1 4.3 9.9
АВ 25-60 44.7 13.5 31.2* 20.0 24.7 69.8 1.561 3.0 3.6 4.6 10.2
В 60-80 43.3 11.5 31.8* 18.7 24.6 73.4 1.695 н/0 - - -
Взятие образца 27.10.10 (засушливый год)
А 10-25 42.1 18.2 23.9* 17.7 24.3 56.7 1.348 3.1 3.7 4.1 9.7
АВ 25-60 41.8 19.5 22.3* 17.4 24.3 53.3 1.276 2.9 3.4 3.7 8.8
В 60-80 43.6 18.8 24.8* 19.0 24.5 56.8 1.304 н/о - - -
Взятие образца 20.06.11
А 10-25 42.6 16.0 26.6* 18.1 24.4 62.9 1.139 3.8 4.9 4.2 9.8
АВ 25-60 43.7 14.4 29.3* 19.0 24.6 67.0 1.319 3.3 3.6 4.3 9.8
В 60-80 43.5 16.3 27.2* 18.9 24.5 62.5 1.159 2.8 3.4 3.2 7.3
Взятие образца 27.10.11
А 10-25 43.6 27.8 16.1 19.0 24.6 63.0 1.447 4.0 5.8 5.9 13.4
АВ 25-60 43.0 27.4 15.6 18.5 24.6 63.7 1.447 3.0 5.0 4.4 11.7
В 60-80 44.9 28.2 16.7 20.2 24.7 62.7 1.396 2.1 3.3 2.9 7.5
*- пылеватая составляющая в физической глине преобладает над илистой (вф>аф) *- dust component domiinates (Рф>аф)
анализ. Суспензия 50-70 мл накапливалась в фарфоровые чашки, с последующим выпариванием на водяной бане. В остатке физической глины и почвы в целом определялось содержание гумуса по И.В. Тюрину. Результаты проделанной работы представлены в таблице 1. Всего было проанализировано около 150 почвенных образцов.
В период исследования в Ботаническом саду все три года были относительно жаркими. Аномально сухим выдался 2010 год. С мая по октябрь выпало около 50 мм осадков, при годовой норме около 450 мм. В 2011 году количество осадков приблизилось к годовой норме. Специфика климата отразилась в динамике дисперсности почв и ее гумусности.
Результаты и обсуждение
Некоторые концептуальные положения дисперсности и гумусности почв. Всю информацию о единстве дисперсности и гумусности почв можно условно разделить на три блока: первый затрагивает проблему интерпретации данных гранулометрического состава почв и характеристику ПСП; второй - специфику показателя «содержание гумуса на 100 г почвы» как функции двух переменных; третий - экспериментальное подтверждение наличия детерминированной (матричной) связи констант динамического равновесия (K) с показателями «содержание гумуса в физической глине» (х) и «содержание гумуса почвы в целом» (у).
Первый блок. Дисперсность является фундаментальной характеристикой почв, которая прямо или опосредованно определяет практически все их свойства. Распространенной характеристикой дисперсности почв выступает гранулометрический состав. Обычно он интерпретируется с двух позиций - статического и динамического равновесия.
В первом случае, как правило, констатируется простой факт наличия в почве того или иного количества частиц (фракций) различного размера на момент взятия почвенного образца. Систематического мониторинга изменения дисперсности не осуществляется. Для определения развновидности почв основное внимание заостряется на содержании частиц менее 10 мкм. При сравнении количества физической глины в образцах, как правило, делается вывод, что гранулометрический состав почв мало изменяется во времени. Это справедливо, но не совсем корректно: сумма ила и пыли может не меняться, но доли их в физической глине переменны (табл. 1, графы 3 и 4).
Во втором случае, при оценке динамики гранулометрического состава, основное внимание обращается не на количество в почве тех или иных частиц, а на парные их отношения между собой во времени, на функционирование ПСП. В этом случае необходимы иные показатели и параметры, характеризующие динамику ПСП. Замечено, что по сезонам и годам одному и тому же содержанию физической глины в почвенном образце соответствуют переменные значения илы и пыли. Более того, проявляется ярко выраженная смена группового состава физической глины при аридизации климата - с иловатой она переходит в пылеватую и обратно (табл. 1, графы 3 и 4).
В связи с этим, возникает необходимость характеризовать ПСП по двум векторам дисперсности -по классам и группам почв (рис.) По классам почв через коэффициент - ki следует контролировать гумус-аккумулирующую массу физической глины (Z) и относительно индифферентную, почти безгумусовую массу физического песка (у), (рис., I и II). Так как Z+y=100, то k1=100/Z=1+y/Z. Для классов с преобладанием физического песка (схема 1, III и IV) k1=100/y=1+Z/y. Группы почв представляют собой отношения разнокачественных масс илистой (аф) и пылеватой фракций (ßф) в физической глине, связанных через коэффициент k2. Если в физической глине преобладает ил (рис., I и III), то k2 и k'2= Z/a^}=1+ß^/a^}. Если преобладает пыль (для II и IV), - то k'2=k''2= Z/ßj =1+aj/ßj. Шкала ранжирования групп почв задана показателем степень насыщенности (V, %) физической глины илом - Va=100aj/Z и пылью - Vß=100ßj/Z, введя Z=100 (рис.). В этом случае доля ила и пыли оценивались по отношению к постоянной величине - к 100 г физической глины. Выбор той или иной формулы расчета определяется преобладающей фракцией. Значения Va и Vß варьируют от 50 до 100 %. На момент взятия образца он может попадать в один из четырех квадратов матрицы. Отношение элементов в каждом из них специфично.
Характеристика, позволяющая совокупно отразить дисперсность почвенных образцов - это значения парных отношений - K=k1/k2=V/Z. Ранее нами было установлено, что на момент взятия почвенного образца, он может прибывать в одном из трех возможных состояний динамического равновесия: при K=1, K>1 или же K<1 (Крыщенко и др. 2006, 2012). Именуются эти показатели как
константы динамического равновесия ПСП (К-ПСП) (табл. 2). Здесь же возникает вопрос, а почему константы?
Рис. Вероятные парные отношения элементов в полидисперсной системе почв (ПСП). Fig. Probable pairwise relations of elements in a polydisperse soil system (PSS).
ГРУППЫ ПОЧВ
Иловатая Пылеватая
Сильное Среднее Оптимальное Среднее Сильное
Va,»VB, Va>VB Va,~Vg Vg>Va. VB»Va,
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Vp
100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 Va
КЛАССЫ ПОЧВ глинистые Сильн es I II
10 90
Среднее А 20 80
30 70
Опти-мальное 40 60
50 50
III IV
60 40
опесчаненные Среднее N Л ^ 70 30
80 20
Сильно N 90 10
100
7 Z
Напомним, что равновесие можно определить лишь по отношению к какой-то «системе координат», «эталону сравнения» или «идеальному» состоянию равновесия системы. В качестве эталона сравнения рационально использовать «идеальное» состояние равновесия ПСП, где К=1. В этом состоянии равновесия между дисперсными элементами системы устанавливаются парные (Ж) детерминированные отношения: к1=к2; У=2; 100аф=22; 100[3ф=2у и аф=ал. Подставив для к1, к2, и Vих значения получим ряд равенств - К=к/к2=100аф/22=1. Тот же результат получим и в отношении К=Уа/2=100аф/22=1. Если в физической глине опесчаненных почв (рис., блоки III и IV) преобладает илистая фракция, тогда К=к'/к'2=100аф/2у, а в случае преобладания пылеватой фракции К=к'1/к'2=100вф/2у. Для любого индивидуального почвенного образца можно создать (точно рассчитать) математическую модель его дисперсности при наличии в нем содержания физической глины. Содержание ила (а^) в почвенном образце в состоянии «идеального» равновесия при К=1 будет равно квадрату массы физической глины (2), деленному на 100, т.е. ал=0,0122. На единицу массы физической глины приходится 0,01 массы ила. При «идеальном» равновесии содержание пыли равно в^=0,012у.
Из последних двух равенств следует, что по классам почв содержание ила в физической глине будет изменяться по экспоненциальному закону, а пылеватая составляющая - по параболическому. В интервале содержания физической глины от 40 до 60 % парабола образует плато: содержание пыли практически не изменяется вл=24.5±0.5 (табл. 1, графа 6). Это значит, что пылеватая фракция не может выступать «эталоном сравнения» в анализе ПСП в указанном интервале. В качестве «эталона сравнения» в интервале варьирования физической глины от 25 до 70%, выступает илистая фракция. Содержание ила для конкретного значения физической глины - величина постоянная. Например, при 2=60%, ал=0,01х602=36%, а ^=0,01x60x40=24%. Допустим, что 2=40%, тогда ал=16%, а вот содержание пыли будет тоже - вл=24%.
Таблица 2. Константы динамического равновесия. Table 2. Dynamic balance constants.
Константы равновесия Эталон равновесия - «идеальное» состояние равновесия системы: отношение элементов детерминировано К= 1
I II I II
Эталон сравнения - adt=0,01Z2, при Z от 25 до 70 % k1=100/Z=1+y/Z
K=k1/k2=100a/Z2=1 K=k1/k'2=100p/Z2=1 k2 =Z/аф=1+вф/аф Va=100 ad/Z, % k'2= Z/вф =1+аф/вф VB=100pd/Z, %
III IV III IV
Эталон сравнения - pdt=0,01Zy, при Z25 % k'1=100/y=1+Z/y
K=k'1/k'2=100a/Zy=1 K=k'1/k"2=100p/Zy=1 k'2= Z/aф=1+Z/y Va=100 аф/Z, % k''2= Z/вф =1+аф/вф VB=100ed/Z, %
В области опесчаненных (2<25%) и тяжелоглинистых (2>70%) почв экспериментальных данных еще не достаточно, что затрудняет исследования. В этих классах использование а^ в качестве эталона не всегда корректно. Экспериментальное и расчетное значение гумуса в физической глине не согласуются. В указанных интервалах использовался второй «эталон сравнения» - /Зл=0,012у. По отношению к нему вычислялись константы динамического равновесия ПСП. В этом случае аналитические и расчетные значения содержания гумуса в физической глине совпадают.
Итак, динамическое равновесие почвенных образцов можно оценить относительно эталонов сравнения: массы ила (ааО, в интервале Ъ 25-70% и по отношению массы пыли (РаО, в интервале Ъ<25% и Ъ>70%. Соизмеряя с эталонами дисперсности фактические значения ила (аф) и пыли (Рф), можно рассчитать константы динамического равновесия любого почвенного образца. Для образцов с иловатой физической глиной константа равновесия равна - К= аф/ал, а с пылеватой - К= Рф/ал. Для опесчаненных и глинистых соответственно - К= аф/р^ и К= Рф/Р^. Значение констант равновесия ограниченно и варьирует от 0.5 до 2.0.
Таким образом, для описания состояний равновесия ПСП следует сопоставлять два ряда дисперсности почвенных образцов: реальный и «идеальный» (табл. 1, графа 2-4, 5, 6). Реальные показатели сокращенного гранулометрического анализа (по Качинскому - суточная и минутная пробы) соизмеряются относительно эталонов (а^ и Р^) этого же почвенного образца. Эталоны - это постоянные величины для конкретного значения физической глины и, потому, считаем оправданным название «константы динамического равновесия ПСП». Используя метод двух дисперсных рядов -реального и идеального, удается стандартизировать и унифицировать исследования ПСП.
Константы динамического равновесия почвенного образца, вычисленные на данный момент времени, могут использоваться как «точка отсчета» при мониторинге свойств почв и идентификации почвенных образцов.
Второй блок. Специфика показателя «содержание гумуса на 100 г почвы» (у) как функция двух переменных. Во-первых, если бы гумус равномерно распределялся по всем гранулометрическим фракциям (по всей массе) и групповой состав его был однороден, тогда показатель у можно было бы воспринимать однозначно. Однако в природе почв имеет место иная закономерность -неравномерное и разнокачественное по фракциям распределение гумуса: одна масса, частицы менее 10 мкм, селективно концентрируют в себе большую его часть - 85-95%, тогда как вторая, фракции
более 10 мкм, - индифферентная, почти безгумусовая масса. С учетом изложенного следует, что показатель у - это опосредованное через нормирующий коэффициент, отражение концентрации гумуса физической глины, но механически «разбавленной» безгумусовой массой физического песка в п раз. Или же иначе, это среднее содержание гумусовой и безгумусовой масс почвенного образца. В настоящее время эффект такого «разбавления» не учитывается.
Во-вторых, в показателе у «записана» и другая информация - о переменной дисперсности физической глины через динамику ил—пыль. В этом процессе отражаются закономерности функционирования ПСП. Устойчивость и динамика системы, вероятно, ограничивается пределом насыщения физической глины илом—пылью около 75%. Оптимальная, статистически
наиболее вероятная насыщенность физической глины илом-пылью в тяжелых суглинках (2=40-60%), составляет 54.5±5%. Избыток ила в физглине способствует течению анаэробных процессов, понижению окисляемости гумуса и агрегированию массы. Повышенная пылеватость, наоборот, усиливает течение аэробных процессов, переводу инертного гумуса в лабильный и диспергированию микроагрегатов. Между агрегированием и диспергированием массы устанавливается состояние динамического равновесия.
В заключении отметим, что показатель «содержание гумуса на 100 г почвы» не следует воспринимать однозначно, хотя мы и привыкли к этому. Он несет в себе две неопределенности, две переменных величины: первое - это функция отражающая концентрацию гумуса в физической глине (х) и, второе, - это функция эффекта «разбавления» этой концентрации гумуса, почти безгумусовой массой физического песка, и переменной дисперсности физической глины (К). Выразим эту функциональную связь - у=:Р(К, х). Парная связь х с у нормируется переменной дисперсностью почвенных образцов, выраженную через К. Такая функция именуется нормирующей.
Третий блок. Необходимо экспериментально подтвердить наличие детерминированной связи констант динамического равновесия ПСП, с показателями гумусности физической глины и почвы в целом.
Первоначально отметим, что из данных таблицы 1 очевидна несостоятельность бытующего мнения о «гранулометрическом покое» в почвах. Содержание физической глины мало изменялось в 2009-2011 годах. Но внутри этой фракции при аридизации происходил процесс смены группового состава: в начале эксперимента (30.05.2009) в физической глине ил преобладал над пылью, что типично для данной почвы. Осенью 2009 г. и в 2010 г. наблюдается преобладание пылеватой фракции в физической глине, а затем вновь ПСП «возвращается» к исходному иловатому состоянию равновесия (осень 2011 г.). Синхронно с динамикой дисперсности (К) наблюдается изменение гумусового состояния почвы в целом (у) и ее физической глины (х) на фоне аридизации климата.
При интерпретации данных, характеризующих динамическое равновесие ПСП имеется особая специфика, отличающаяся от общепринятой в почвоведении. В настоящее время, не задумываясь, обычно сравнивается между собой содержание гумуса одного почвенного образца с этим же показателем другого по принципу «больше - меньше». При анализе равновесия ПСП возникает центральный вопрос: «А правомочно ли подобное сравнение?»
В динамически равновесной ПСП все характеристики ее не обособлены друг от друга, а парно связаны между собой в единую функциональную цепь зависимости по принципу: концентрация гумуса в физической глине (аргумент - х)—константы динамического равновесия ПСП (нормирующий коэффициент дисперсности между х и y)—содержание гумуса в почве (функция - у). В этом случае необходимо еще доказать, возможно или нет сравнение однородных показателей? В случае отсутствия связи между образцами необходимо указать и прописать процедуру преобразования несравнимых показателей в абсолютно сравнимые. Рассмотрим эту проблему на конкретном примере.
В естественной ПСП существует две цепи парных отношений гумусности с дисперсностью почв: 1. Двойная связь: содержание гумуса в почве — константы динамического равновесия (нормирующий коэффициент дисперсности); 2. Тройная связь: содержание гумуса в почве — константы динамического равновесия — концентрация гумуса в физической глине.
Рассмотрим двойную связь в ПСП. Из таблицы 1 очевидно, что каждому значению гумуса почвенного образца (графа 9) соответствует свои «персональные» переменные значения констант равновесия (графа 8). То есть, каждое значение гумуса почвенного образца характеризуется своим эффектом «разбавления» концентрации гумуса физической глины, до значения - «содержание гумуса
на 100 г почвы» через константу равновесия. Это значит, что некорректно сравнивать почвенные образцы по показателю - «содержание гумуса на 100 г почвы», так как каждый из них «несет» свою переменную величину, свою константу равновесия. Например, в мае 2009 г (табл. 1) содержание гумуса в гор. А - 4,6%, а константа равновесия - К;=1.160. В осенний период этого же года, содержание гумуса в гор. А - 3.6%, а К2=1.735. Сменился фракционный состав физической глины с иловатой на пылеватую. Сравнивать эти два образца по содержанию гумуса нельзя, т.к. они имеют различные константы равновесия КфК2. В этом случае возникает проблема, как «сравнить несравнимое», как несравнимые показатели гумуса привести к общему знаменателю, где они будут абсолютно сравнимы? Когда обнаруживается неправомочность сравнения пары гумус -дисперсность, с другой аналогичной парой почвенных образцов, тогда используется общеизвестная математическая процедура нормализации - преобразование несравнимых разномасштабных цифровых рядов в сравнимые одномасштабные цифровые ряды. То есть, необходимо провести преобразование множества несравнимых состояний динамического равновесия ПСП, где К переменны (К^1) в абсолютно сравнимое «идеальное» состояние равновесия ПСП, где все К=1.
Рассмотрим данную процедуру, используя вышеприведенный пример. Для этого необходимо перемножить значения гумуса почвы в целом (у) на индивидуальные значения констант равновесия почвенных образцов (К), т.е. х=Ку: 4.6^1.160=5.3% и 3.6^1.735=6.2%. Здесь же возникает вопрос, что это за вновь полученные цифровые значения и какое отношение они имеют к гумус-дисперсной характеристике почв? Чтобы получить ответ на поставленный вопрос, была первоначально сфорулирована рабочая гипотеза: вновь полученные значения х после процедуры преобразования Ку имеют прямое отношение к концентрации гумуса в физической глине конкретного почвенного образца. Согласно этой гипотезе, был составлен план полевых и аналитических исследований, результаты которых частично представлены в таблице 1(графы 10 и 11). В графе 10 представлена концентрация гумуса в физической глине, полученная прямым аналитическим определением, а в графе 11 этот же показатель, но полученный расчетным путем (хр), т.е. хр=Ку, %, при К>1 и хр=1/Ку, %, при К<1. Далее сопоставим значения гумуса физический глины х и хр. Коэффициенты корреляции между этими значениями гумуса близки к единице (п=155, Я=0.968 при Р=0.95). Здесь же заметим, что данные закономерности иные для почв очень легкого и тяжелого гранулометрического состава.
Итак, расчетное значение - хр, полученное от перемножения - Ку есть не что иное, как концентрация гумуса в физической глине конкретных почвенных образцов, ограниченных содержанием ее от 30 до 70%, т.е. 50±20%. Показатели «концентрация гумуса на 100 г физической глины», абсолютно сравнимы друг с другом в почвенных образцах, так как они приведены к состоянию «идеального» динамического равновесия, где все К=1, т.е. е общему знаменателю детерминированного отношения элементов ПСП. Трехчленную связь дисперсности и гумусности в
ПСП можно выразить в формализованном виде:
Ку = 1/Ку = у 1 (1)
х х х
при при при
К>1 К<1 К=1
где х - концентрация гумуса в физической глине почвенного образца; у - содержание гумуса почвы в целом;
К - константа равновесия ПСП (нормирующий коэффициент) Отметим принципиальное различие в оценке и интерпретации гумусового состояния почвенных образцов по двум показателям - «содержание гумуса на 100 г почвы» - функция у, и «концентрации гумуса на 100 г физической глины» - аргумент х:
1. Содержание гумуса на 100 г почвы - показатель, который не учитывает в явном виде дисперсность почвенного образца. Перемена ее скрыта от исследователя и потому несет в себе ошибку в оценке гумусового состояния образца.
2. Концентрация гумуса на 100 г физической глины - это показатель, который в явном виде несет информацию о дисперсности почвенного образца (х=Ку) и отражает ее через состояние равновесия ПСП. Имея значение х, можно конкретизировать интеграцию гумуса и дисперсности в почвенном образце, введя показатель - степень насыщенности физической глины гумусом Ж=100х/2, % (графа 12 табл.1). Эти два показателя гумусово-дисперсного состояния почвенного образца
абсолютно сравнимы и объективны, так как все они имеют K=1. Таким приемом ликвидируются фактор K/1, который препятствует сравнению гумусности почвенных образцов.
Таким образом, оценка гумусового состояния почвенных образцов по аргументу x и степени насыщенности физической глины гумусом - W, % является объективной. Это не значит, что следует отказаться от определения функции y. Имея значение y и К, можно, согласно равенству (1) предсказать концентрацию гумуса в физической глине с вероятностью 94-98%.
Сопоставляя представленные в таблице 1 сезонные данные по x и W за 2009 год, можно определенно утверждать о стабильности гумусового состояния: x колеблется в горизонте А - 5.36.9%, а W - от 11 до 15%, несмотря на смену группового состава физической глины, с иловатой в пылеватую. Существенно изменилось гумусовое состояние почвенных образцов в засушливом 2010 году, синхронно со сменой группового состава физической глины. Все показатели гумусового состояния (x, y, W) меньше предыдущего и последующих годов. Тем не менее, дегумификация здесь не носит тотального характера, происходит изменение окисляемости гумуса: из лабильного он переходит в инертный. Осенью 2011 года с увеличением количества осадков, гумусовое состояние вновь восстановилось до уровня 2009 года. Аридизация климата отразилась в изменении дисперсности и гумусности почв. К аналогичному выводу пришли и другие авторы (Залибеков, 2004, 2005).
Интерпретация таблицы 3 особенно противоречива. По значению y происходит уменьшение содержание гумуса от глин к средним суглинкам. В действительности же, возрастает эффект «разбавления» концентрации гумуса физической глины от 1 до 2. По значению x и W концентрация гумуса увеличивается к средним суглинкам - W от 6-10 до 12-16. Сопряжено изменяется Сгк:Сфк от 2.07-2.16 до 1.01-1.12.
Выводы
Несостоятельно мнение о «гранулометрическом покое» почв. Это мировоззрение тормозит развитие учения о полидисперсной системе почв.
К настоящему времени существует две методологические проблемы дисперсности почв: 1. Все элементы ПСП переменны во времени и содержание их непредсказуемо - переменно содержание физической глины в разновидностях почв и доли ила и пыли в ней, т.е. переменные в переменной; 2. Любое равновесие (движение) относительно. Равновесие ПСП можно определить лишь по отношению к какой-то конкретной «системе координат», «эталону сравнения» или же по отношению «идеального» состояния равновесия системы, как это было сделано нами.
Константы динамического равновесия почвенного образца (K) определялись по отношению к двум постоянным, для данного значения физической глины, эталонам сравнения: 1) по отношению к массе ила (adt) в физической глине (Z от 25 до 70% одного и того же почвенного образца (adt=0,01Z2 -const); 2) по отношению к пыли (fidt) в физической глине ( Z<25 и Z>75%) одного и того же почвенного образца (fidt=0,01Zy - const), которые прибывают в состоянии «идеального» динамического равновесия, где K=1. Полидисперсная система почв характеризуется множеством состояний динамического равновесия (К=1, К>1 и K<1). Значение констант равновесия в ПСП колеблется от 0.5 до 2.0.
Некорректно сравнение почвенных образцов по показателю «содержание гумуса на 100 г почв» (y). Они несравнимы, так как значение y - есть функция двух переменных - y=f(K,x), где концентрация гумуса в физической глине (x), нормировано изменена («разбавлена») через константу равновесия (K), до значения y. Рационально характеризовать гумусовое состояние почвенных образцов комплексно - сравнимыми, гумус-дисперсными детерминированными отношениями (матрицами): 1) x=Ky, % при K>1 или 2) x=1/Ky, % при K<1. Отношение аргумента (x) и функции (y) нормируются константой динамического равновесия ПСП, т.е. переменной дисперсностью почвенного образца.
Аридизация климата приводит к изменению отношения ила и пыли в физической глине в сторону ее большей пылеватости и как следствие снижению окисляемости гумуса. С оптимизацией увлажнения ПСП вновь восстанавливается до прежнего состояния равновесия.
Изучение почв следует всегда сопровождать данными сокращенного гранулометрического анализа по Н.А. Качинскому, определяя в суточной и минутной пробах содержание ила и физической глины. Это позволяет рассчитать константы равновесия почвенного образца любого класса. Далее, имея содержание гумуса в образце и его константу равновесия, можно с вероятностью 95-98%
предсказать (рассчитать) концентрацию гумуса в физической глине (х), как дано в п. 4. Зная значение х, можно определить интегральный гумусоводисперсный показатель - степень насыщенности физической глины гумусом - W=100x/Z.
Таблица 3. Взаимосвязь констант динамического равновесия полидисперсной системы почв с гумусностью почвы и физической глиной. Table 3. Interdependence between the dynamic balance constants of a polydisperse soil system and the humus content in soil and physical clay.
Разновидности почв Фактическое содержание фракций, % Базовое содержание фракций, % Константы равновесия Гумус, % Насыщенность физической глины гумусом Сгк:Сфк
<0,01 мм <0,001 мм 0,0010,01 мм <0,001 мм 0,0010,01 мм В почве В физическо й глине
z аФ вф adt Да K У хр W
1 2* 3* 4* 5 6 7 8* 9 10 11*
Пойменные почвы
Легкоглинистые 66.7 43.5 23.2 44.5 22.2 0.978 4.2 4.3 6.4 2.10
Тяжелосуглинистые 51.8 31.3 20.5 26.8 25.0 1.168 4.0 4.6 8.8 1.64
Среднесуглинистые 39.2 22.4 16.9 15.3 24.0 1.464 3.0 4.3 10.9 1.26
Легкосуглинистые 25.1 12.8 12.3 6.3 18.8 0.680 2.8 4.1 16.3 1.01
Серые лесостепные почв
Легкоглинистые 72.1 42.4 29.7 51.9 20.2 0.817 3.4 4.2 5.8 2.07
Среднесуглинистые 33.5 18.2 15.3 11.2 22.3 1.625 2.4 3.9 11.6 1.10
Легкосуглинистые 25.1 13.0 12.1 6.3 18.8 0.691 2.2 3.1 12.3 1.00
Че рноземы типичные
Легкоглинистые 66.5 42.9 23.6 44.2 22.3 0.971 6.6 6.8 10.2 2.16
Тяжелосуглинистые 51.8 32.3 19.7 26.3 25.0 1.228 6.0 7.2 13.8 1.60
Среднесуглинистые 41.7 26.3 15.4 17.4 24.3 1.512 3.3 5.0 12.0 1.26
Легкосуглинистые 26.3 13.8 12.5 6.9 19.7 0.700 2.0 4.1 10.6 1.12
Примечание: *- данные Б.П. Ахтырцева и Л.А. Яблонских (1986)
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Ахтырцев Б.П., Яблонских Л.А. 1986. Зависимость состава гумуса от гранулометрического состава в почвах лесостепи// Почвоведение. №1. С. 114-121
Залибеков З.Г. 2004. Об основных направлениях исследований почв охраняемых территорий юга России// Аридные экосистемы. Т 10. № 22-23. С. 7-9.
Залибеков З.Г. 2005. Аридное почвообразование и проблемы его изучения в регионах Европейского юга России// Аридные экосистемы. Т 11. № 26-27. С. 94-100.
Крыщенко В.С., Рыбянец Т.В., Бирюкова О.А., Кравцова Н.Е. 2006. Компенсационный принцип анализа гумус-гранулометрических соотношений в полидисперсной системе почв// Почвоведение. №4. С. 473-483.
Крыщенко В.С. Рыбянец Т.В., Замулина И.В. Бирюкова О.А. 2012. Моделирование взаимосвязи элементов полидисперсной системы почв с использованием эталона сравнения// Труды института геологии Дагестанского НЦ РАН. Сборник научных статей. Махачкала. № 61. С. 22-33
MONITORING OF THE CHANGES IN SOIL DISPERSITY AND HUMUS CONTENT IN INCREASINGLY ARID CLIMATE CONDITIONS
© 2014. V.S. Kryshchenko, T.V. Rybianets, N.Y. Kravtsova, O.A. Biriukova, I.V. Zamulina
Southern Federal University, Faculty of Biosciences Russia, 344090 Rostov-on-Don, Av. Stachki, 194/1. E-mail: kravcova n@mail.ru
The paper is devoted to the assessment of balance states for a polydisperse soil system and soil humus content in increasingly arid climate. We have identified the general principle of correlation and interdependence between humus content in physical clay, humus content in soil, and the dynamic balance constants of a polydisperse soil system, that can be described using a mathematical model. Key words: polydisperse soil system, particle-size fractions, humus, mathematical model.
