CC BY
89
doi: 10.24411/0235-2451-2020-10702 УДК 633.11/621:631.5
Оценка влияния морфометрических показателей рельефа на плодородие черноземных почв*
Г. П. ГЛАЗУНОВ, Н. В. АФОНЧЕНКО, В. В. ДВОЙНЫХ
Курский федеральный аграрный научный центр, ул. Карла Маркса, 70 б, Курск, 305021, Российская Федерация
Резюме. Исследования проводили в 2011-2019 гг. с целью изучения зависимости показателей плодородия почвы и урожайности сельскохозяйственных культур от морфометрических параметров рельефа в условиях ЦЧР для совершенствования агроэкологического мониторинга. Работу выполняли на полигоне опытного поля в Медвенском районе, Курской области на участке пашни с куполообразной формой рельефа, площадью 86 га, шаг опробования - 50 м. Объект исследования - черноземные почвы различной степени смытости и выщелоченности. На основе методов цифрового моделирования рельефа с использованием ГИС-технологий проведен морфометрический анализ его характеристик, созданы электронные карты, дана комплексная таксономическая оценка неоднородности агрохимических свойств, на основе которой построена интегральная мозаика - промежуточная картографо-математическая конструкция-модель, отражающая совокупность морфологических характеристик рельефа в пространстве, которую наложили на цифровую модель рельефа (ЦМР) в программе Surfer. Выявлена высокая зависимость от экспозиции и угла склона содержания гумуса в пахотном слое почвы (RMH = 0,72) и средняя - рН почвы (RMH = 0,59). Содержание гумуса в черноземных почвах находится в обратной зависимости от степени их эродированности, коэффициент корреляции равен -86. Основные факторы, лимитирующие урожайность озимой пшеницы в условиях недостаточной влагообеспеченности, - экспозиция и уклон склона, определяющие гидротермические условия, а также содержание минерального азота в почве (RMH = 0,72). Результаты исследований могут быть использованы для оценки природно-ресурсного потенциала агроландшафтов и автоматизированного проектирования адаптивно-ландшафтных систем земледелия. Ключевые слова: рельеф, чернозем, плодородие, ГИС-технологии.
Сведения об авторах: Г. П. Глазунов, кандидат сельскохозяйственных наук, ведущий научный сотрудник (e-mail: [email protected]); Н. В. Афонченко, кандидат сельскохозяйственных наук, старший научный сотрудник; В. В. Двойных, младший научный сотрудник.
Для цитирования: Глазунов Г П., Афонченко Н. В., Двойных В. В. Оценка влияния морфометрических показателей рельефа на плодородие черноземных почв // Достижения науки и техники АПК. 2020. Т. 34. № 7. С. 10-18. doi: 10.24411/0235-2451-2020-10702.
*Работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки России (тема № 0632-2019-0016 «Разработка системы поддержки принятия решений по использованию природно-ресурсного потенциала в агроландшафтах ЦЧР»).
Influence of morphometric terrain indicators on the fertility of chernozem soils
G. P. Glazunov, N. V. Afonchenko, V. V. Dvoinykh
Kursk Federal Agrarian Scientific Center, ul. Karla Marksa, 70 b, Kursk, 305021, Russian Federation
Abstract. The studies were conducted in 2011-2019. The purpose was to study the dependence of soil fertility and crop yields on the morphometric parameters of the terrain under conditions of the Central Chernozem Region to improve agroecological monitoring. The work was performed on an experimental field in the Medvensky district, Kursk region on arable land with a dome-shaped terrain with an area of 86 ha; the sampling step was 50 m. The object of the study was chernozem soils of varying degrees of erosion and leaching. Based on digital modelling of the terrain using GIS technologies, we conducted a morphometric analysis of its characteristics, generated electronic maps, made a comprehensive taxonomic assessment of the heterogeneity of agrochemical properties, based on which we constructed an integrated mosaic - an intermediate cartographic-mathematical construction model reflecting the combination of morphological characteristics of the terrain in space subsequently superimposed onto a digital elevation model (DEM) using the Surfer software. We revealed a high interdependence between the exposure and the slope angle of the humus content in the arable soil layer (R(MN) = 0.72) and the average pH value of the soil (R(MN) = 0.59). The humus content in chernozem soils was inversely related to the degree of erosion; the correlation coefficient was -86. The main factors limiting the yield of winter wheat under conditions of insufficient moisture supply were exposure and slope angle determining hydrothermal conditions as well as the content of mineral nitrogen in the soil (RMN = 0.72). The study results can be used to assess the natural resource potential of agrolandscapes and computer-aided design of adaptive landscape farming systems. Keywords: terrain; chernozem; fertility; GIS technology.
Author Details: G. P. Glazunov, Cand. Sc. (Agr.), leading research fellow (e-mail: [email protected]); N. V. Afonchenko, Cand. Sc. (Agr.), senior research fellow; V. V. Dvoinykh, junior research fellow.
For citation: Glazunov GP, Afonchenko NV, Dvoinykh VV. [Influence of morphometric terrain indicators on the fertility of chernozem soils]. Dostizheniya nauki i tekhniki APK. 2020;34(7):10-8. Russian. doi: 10.24411/0235-2451-2020-10702.
Обязанность землепользователей - эффективное и бережное отношение к почве, направленное на повышение ее плодородия. Почва - основа жизни и биоразнообразия, ее качество влияет на круговорот питательных веществ [1, 2, 3]. Однако интенсификация сельскохозяйственного производства неизбежно приводит к развитию различных процессов деградации почвы с глубокими последствиями для ее продуктивности [4, 5, 6]. Рациональное использование почвы при правильном понимании ее свойств способствует не только улучшению качества и безопасности растениеводческой продукции [7, 8, 9], но и способствует повышению уровня плодородия почвы, а также предотвращению ее деградации, которая входит в число глобальных проблем [4, 10, 11].
Ещё в исследованиях В. В. Докучаева [12] было показано, что между свойствами почв и урожайностью выращиваемых на них сельскохозяйственных культур существует тесная зависимость. Это служит теоретической базой для развития различных систем оценки почвы.
Элементы рельефа и экспозиции склонов влияют на комплекс параметров почвенного плодородия, перераспределение влаги атмосферных осадков и солнечной инсоляции [13]. Сложный неоднородный рельеф может сказываться не только на неравномерности распределения выпадающих осадков, но и на интенсивности поверхностного стока, а значит, и на подверженности водной эрозии, что, как следствие, будет способствовать снижению ее агрономической оценки. Местоположение почв в рельефе оказывает
влияние на их теплообеспеченность. Так, северные более увлажненные склоны получают меньше тепла, чем южные, отличающиеся повышенной испаряемостью влаги, особенно в летние месяцы, вследствие чего почвы южных склонов обычно менее мощные, карбонаты залегают ближе к поверхности. Однако во влагообеспеченные годы отмечается миграция карбонатов вниз по почвенному профилю. Неоднозначное влияние на плодородие почв полярных склонов оказывает и антропогенное воздействие [3]. В результате нерационального использования, нарушения агротехники возделывания культур на эрозионно опасных территориях происходит деградация почвенного покрова, ухудшение плодородия почв [14]. Несмотря на то, что почвенный покров ЦентральноЧерноземного региона (ЦЧР) относительно однородный и благоприятный для выращивания основных сельскохозяйственных культур, он характеризуется повышенной сложностью и контрастностью, в том числе в пределах небольших участков и полей [15]. В процессе производства аграрии неизбежно сталкиваются с проблемой неоднородности урожайности культур в пределах одного поля, параметры почвенного плодородия на территории которого могут сильно варьировать.
Сегодня перед наукой стоит задача разработки технологий, направленных на формирование современных систем земледелия [9]. Наукоемкие высокоинтенсивные агротехнологии, выполняемые прецизионными техническими средствами на основе геоинформационных систем (ГИС), должны обеспечивать производство экологически безопасной продукции [11, 16, 17].
Для разработки новых систем земледелия, основанных на адаптивно-ландшафтном подходе, необходима объективная комплексная оценка природно-ресурсного потенциала, учитывающая показатели и критерии, в полной мере характеризующие особенности агроландшафта. Однако общепринятые методики агрохимического обследования и отбора почвенных проб [6] не позволяют адекватно оценить степень изменчивости параметров почвенного плодородия в агроландшафте и установить необходимость регулирования питательного режима сельскохозяйственных культур. Далеко не всегда имеющиеся в хозяйствах картографические материалы по агрохимическому обследованию содержат информацию о рациональности использования территории хозяйства под ту или иную культуру в зависимости от местоположения на рельефе и имеющихся почвенных комбинаций, а также о пространственно-временной потребности в удобрениях на конкретной территории.
Проблеме пространственной изменчивости параметров почвенного плодородия в агроландшафте посвящено большое количество исследований [7, 8, 9] в которых доказывается влияние пестроты почвенного покрова на точность результатов обследования. В связи с развитием цифровых технологий у земледе-лов появляется возможность их использования при комплексной оценке параметров почвенного плодородия с учетом морфометрических характеристик склоновых агроландшафтов.
В связи с этим, актуальность приобретают исследования, направленные на оценку закономерностей пространственного варьирования плодородия черноземов в Центральном Черноземье, совершенствование научно-методического обеспечения
и разработку методических подходов к агроэколо-гической оценке почв для адаптивно-ландшафтных систем земледелия. Последние должны учитывать почвенно-экологические условия территорий землепользования и специализацию сельскохозяйственного производства, основанные на цифровых и ГИС-технологиях.
Цель исследования - изучение зависимости показателей плодородия почв и урожайности сельскохозяйственных культур от морфометрических параметров рельефа в условиях ЦЧР с использованием ГИС-технологий для рационального использования природно-ресурсного потенциала агроландшаф-тов.
Условия, материалы и методы. Камеральные исследования проводили в 2011-2019 гг. на базе лаборатории агрохимии и геоинформационных систем ФГБНУ «Курский ФАНЦ» с использованием описательного, картографического, статистического, сравнительно-аналитического методов анализа и экосистемного подхода с применением ГИС-технологий, полевые - на территории опытного поля Курского федерального аграрного научного центра (Медвенский район, Курская область) на участке пашни с куполообразной формой рельефа площадью 86 га.
Полигон расположен на Средне-Русской возвышенности на высоте 190...217 м над уровнем моря. Разница высотных отметок достигает 29,5 м. Рельеф полигона типично эрозионный, отличающийся явно выраженной волнистостью, особенно в нижней части склонов. Средний уклон территории 2,23°. Почвенный покров комплексный, представлен черноземами типичным и выщелоченным различной степени смытости и намытости на лёссовидных суглинках. Характер комплексности почвенного покрова меняется от вершины вниз по склону. Это зональная черта почвенного покрова.
Агроэкологическую оценку системы показателей почвенного плодородия черноземов разной степени эродированности проводили с использованием ГИС-технологий и авторского подхода. Пробы для изучения агрофизических и агрохимических параметров почвенного плодородия отбирали из пахотного слоя почвы (0.20 см) с предварительным наложением координатной сетки в компьютерных программах SASPlanet, Grid, OziExplorer с размером ячейки 50х50 м. Выделено 26 трансект, проходящих через весь полигон и ориентированных с севера на юг, на каждой из которых через 50 м были отмечены точки опробования. Для анализа выбирали трансек-ты, охватывающие различные элементы рельефа. На основе данных, полученных в результате полевых и лабораторных исследований, были созданы цифровые карты показателей эффективного плодородия, содержания гумуса и урожайности озимой пшеницы. Для построения карт рельефа местности использовали метод инструментальной топографической съемки при помощи нивелира ADA 32х с последующей обработкой в Microsoft Excel 2019 и визуализацией в программах Surfer 14.0. и QGIS 3.8.3
Для оценки почвенных ресурсов определяли показатели почвенного плодородия: содержание гумуса -по Тюрину (ГОСТ 26213-91), нитратного азота (N-NO3) -колориметрическим методом с дисульфофеноловой кислотой (по Грандваль-Ляжу), аммонийного азота (N-NH4) - колориметрическим методом с реактивом
уклонов с изолиниями высот и размещением водосборов на территории полигона были установлены границы водоразделов и водосборов (рис. 1).
Кроме того, проанализировали поверхность на предмет определения направления поверхностного стока и графической иллюстрации аккумуляции стока с водосборной площади микроформами рельефа (рис. 2). По его результатам наиболее интенсивный сток можно спрогнозировать на склонах северозападной и северо-восточной экспозиций, площадь водосборов которых достигает 10000 м2.
Рис. 1. Трёхмерная модель рельефа с изолиниями и водосборами.
Несслера в модификации ЦИНАО (ГОСТ 26489-85), азота щелочногидролизуемого (N) - по Корнфилду в модификации ЦИНАО, подвижного фосфора (P2O5) и калия (K2O) - по Чирикову (ГОСТ 26204-84), рНКС| - в 1,0 н KCl вытяжке (ГОСТ 26483-85), гидролитическую кислотность (Нг) - по Каппену (ГОСТ 26212-84), сумму поглощенных оснований (Ca2+ + Mg2+) - по Каппену-Гильковицу (ГОСТ 27821-88); структурно-агрегатный состав (сухое и мокрое просеивание) - по методу Н. И. Саввинова, влажность почвы - термостатно-весовым методом. Учет урожайности озимой пшеницы осуществляли путем отбора снопов в четырехкратной повторности с последующим пересчетом на 14 %-ную влажность зерна, учётная площадь 1 м2. Собранные в результате почвенного обследования данные использовали для анализа распределения элементов эффективного плодородия с учётом особенностей рельефа территории и обрабатывали с использованием программ статистической обработки данных Microsoft Excel 2019, STATISTICA.
В работе представлены результаты оценки агрофизических и агрохимических параметров почвенного плодородия, а также урожайности озимой пшеницы в зависимости от морфометрических характеристик рельефа на основе комплексного анализа при помощи наложения пространственно-координированной сетки на топографическую основу полигона [5, 6].
Результаты и обсуждение. С использованием массива собранных данных была создана цифровая модель рельефа, полученная интерполяцией поверхности на основе векторных точечных данных с использованием регуляризованного сплайна с натяжением. Местоположение и атрибуты векторных данных определены в результате полевых работ в границах полигона исследования. Пространственный анализ проводили в среде ГИС QGIS 3.8.3. с использованием цилиндрической прямоугольное (неравноугольной) проекции Меркатора на сфере r = 6378137 м. Основные морфометриче-ские характеристики полигона исследования - уклон и экспозиции склонов полигона исследования.
В результате построения трёхмерной модели
Рис. 2. Аккумуляция стока с водосборной площади микроформами рельефа в границах полигона исследования.
Изучение структурно-агрегатного состава почвы методом сухого просеивания показало, что доля наиболее ценных агрегатов (в сумме от 0,25 до 10 мм) варьировала от 59,5 % (самые нижние точки на склоне северной и южной экспозиций) до 71,7 % на плакоре. Следовательно, в нижних частях полярных склонов северной и южной экспозиций оно было удовлетворительным, ближе к водоразделу и на водоразделе - хорошим. В средней и нижней части юго-восточного склона структура почвы оценивалась как удовлетворительная, в остальных частях полигона - как хорошая.
Количество водопрочных агрегатов в почве варьировало от 40,2 % (хорошая водопрочность) в нижней части склона северной экспозиции до 65,0 % (отличная водопрочность) на плакоре. В нижней части западного, юго-западного и в средней части северного склонов водопрочность агрегатов можно охарактеризовать как хорошую, в других точках независимо от местоположения в рельефе (за исключением плако-ра) - как удовлетворительную (табл. 1).
Для прогнозирования распределения запасов почвенной влаги в зависимости от морфометрических параметров рельефа в программе QGIS была построена картограмма на основе определения топографического индекса влажности (Topographic Wetness Index, TWI), характеризующая участки с
Таблица 1. Статистические характеристики показателей структурно-агрегатного состава чернозема типичного (n = 32)
Параметр Сухое просеивание Мокрое просеивание (количество водопрочных агрегатов, %)
количество агрегатов, % коэффициент структурности
>10 мм 10...0,25 мм <0,25 мм
Max 32,3 80,7 17,8 4,2 65,0
Min 12,0 56,0 5,0 1,3 40,2
X 22,46 67,1 10,1 2,2 50,5
Sd 5,44 6,96 4,13 0,7 6,5
V,% 24,2 10,4 41,0 31,2 12,9
Условные обозначения
+ пячрои
• *
ТШЩфЧП'Ш -Г- 1,-J.J
• -3.6 ' 116 51 Ш
Ш У6 - L01 Ш > ХМ
1м р IX ли ха *■•:> -1
Рис. 3. Топографический индекс влажности (ТМ) в границах полигона.
предрасположенностью к избыточному увлажнению. Топографический индекс влажности определяли по формуле, заложенной в алгоритм программы:
Ш! = 1п (а/гапв)
При анализе полученных данных установлено, что наиболее влагообеспеченными могут быть участки полигона северо-восточной и северо-западной экспозиций с индексом влажности > 10,4 (рис. 3). Это согласуется с прогнозом интенсивного стока.
В дальнейшем почва на территории полигона была исследована под покровом озимой пшеницы для изучения пространственного распределения запасов продуктивной влаги в 0...100 см слое почвы в начале и конце вегетации культуры. В весенний период в 0.30 см слое почвы величина этого показателя изменялись от 36,7 мм (южная экспозиция) до 48,5 мм (северозападная экспозиция). В 0.100 см слое почвы запасы продуктивной влаги по трансекте О варьировали от 123,3 мм до 142,7 мм. При этом изменения имели характер кривой. В точке О-3, расположенной в нижней части склона северной экспозиции, содержалось наименьшее количество влаги (123,3 мм), в точке О-11, находящейся ближе к плакору, оно возрастало (142,7 мм), а затем к точке О-21, расположенной на южной экспозиции полигона, снижалось (127,1 мм). На трансекте Б наибольшую величину этого показателя отмечали в нижних точках на склоне северной экспозиции - 149,1 и 149,8 мм, далее по трансекте от водораздельной до нижней части склона южной экспозиции она уменьшалась до 127,3 мм, а в самой нижней точке Б-23 составляла 147,5 мм. Таким образом, запасы продуктивной влаги по трансекте О в 0.100 см слое почвы были удовлетворительными в нижних частях склона северной и южной экспозиции и хорошими - ближе к водоразделу и на водоразделе. По трансекте Б хорошие запасы влаги отмечали
Таблица 2. Оценка содержания запасов продуктивной влаги в 0...100 см слое в посевах озимой пшеницы (9 апреля 2019 г.)
Параметр Запасы продуктивной влаги по слоям почвы, мм Качественная оценка запасов продуктивной влаги
0... 30 см 0... 50 см 0... 100 см
Max 49,5 85,2 158 хорошая
Min 36,7 60,7 115,9 удовлетвори-
тельная
X 43 74 134 хорошая
Sd 3,19 5,18 10,93
V,% 7,37 7,02 8,16
на склоне северной экспозиции до водораздельной части склона и в самой нижней точке южной экспозиции, удовлетворительные - на склоне южной экспозиции. Наибольшее количество продуктивной влаги отмечали в точках U-9 - 158,0 мм (северо-восточная экспозиция) и I-9 - 157,9 мм (северо-западная экспозиция), что соответствует уровню «хорошее». Наименьшее количество продуктивной влаги отмечали в точках G -15 (116,0 мм, западная экспозиция) и W-19 (115,9 мм, юго-восточная экспозиция), где оно оценивается как «удовлетворительное». Результаты проведенной статистической обработки (табл. 2) свидетельствуют, что запасы продуктивной влаги в почве характеризовались низким коэффициентом вариации - от 7,02 до 8,16, а их качественная оценка изменялась от хорошей до удовлетворительной.
На построенной в программе Surfer трехмерной модели запасов продуктивной влаги в 0.100 см слое чернозёмных почв в посевах озимой пшеницы (апрель) в зависимости от местоположения в рельефе видно (рис. 4), что их распределение в границах полигона исследования совпадает с картограммой топографического индекса влажности (см. рис. 3). Наибольшие запасы продуктивной влаги отмечали на вогнутых формах рельефа на водосборах. В почвенных образцах, отобранных на водоразделах её содержание соответствовало удовлетворительному уровню.
Рис. 4. Трехмерная модель распределения запасов продуктивной влаги в 0.100 см слое чернозёмных почв в посевах озимой пшеницы (апрель) в зависимости от местоположения в рельефе, мм.
Запасы продуктивной влаги в период уборки озимой пшеницы находились в основном в 0.50 см слое почвы и наибольшими были в верхней части склона северной экспозиции ближе к плакору - 72,7 мм, а также в самой крайней точке восточной экспозиции -72,5 мм. Далее на глубине от 50 см до 100 см доступной для растений влаги почти не наблюдали, её запасы оценивались как «плохие» и «очень плохие». Варьирование величины этого показателя в конце вегетации в 0.100 см слое почвы (табл. 3) возросло, коэффициент вариации составлял от 15,1 %, что соответствует среднему уровню, до 22,8 % в метровом слое почвы (значительный), а качественная оценка запасов продуктивной влаги изменялась от плохой до очень плохой.
На трёхмерной модели распределения запасов продуктивной влаги в 0.100 см слое чернозёмных почв в посевах озимой пшеницы (август) в зависимости от местоположения в рельефе (рис. 5) видно, что к концу вегетационного периода наибольшие запасы
Таблица 3. Оценка содержания запасов продуктивной влаги в 0.. .100 см слое почвы в посевах
влаги находятся в нижней части полярных южного и северного склонов.
до 6,16 %. При этом наблюдали обратную сильную связь (коэффициент корреляции = 0,86) величины этого показателя со степенью эродированности (рис. 7). Следует отметить, что, чем меньше мощность гумусового слоя А+АВ, тем выше эродирован-ность почвы.
Рис. 5. Запасы продуктивной влаги в 0.100 см слое в посевах озимой пшеницы (август) в зависимости от местоположения в рельефе, мм.
Доказательством высокой изменчивости агрохимических параметров почвенного плодородия служит характеризующий этот процесс коэффициент вариации. Наибольшим он был для гидролитической кислотности, содержания нитратного и аммонийного азота, средним - для подвижных форм фосфора и калия и незначительным - для содержания обменных оснований (Са2+ и Мд2+), рНКС| Nщr и гумуса (табл. 4).
Экспериментальные данные свидетельствуют, что на исследуемом участке произошло перераспределение гумусового вещества со склона с частичной его аккумуляцией в замкнутых понижениях северной части склона(рис.6). Это, очевидно,связано с эрозионными процессами, которые привели к снижению содержания гумуса в почве и, как следствие, к увеличению площади малогумусных контуров. Так, наибольшее содержание гумуса отмечено в аккумулятивной фации (6,8 %), наименьшее - в ложбинах (в среднем 3,3 %) и на юго-западном водоразделе. В результате эрозионных процессов и активного смыва мелкозема в почвенном покрове ложбин южной и западной частей полигона содержание гумуса было низким.
Содержание гумуса в слое 0.20 см черноземных почв на исследуемом полигоне варьировало от 4,78
у = 0,0212х + 3,9199 Я = 0,7431
Мощность горизонтов А+АВ, см
Рис. 7. Содержание гумуса в пахотном слое черноземных почв в зависимости от степени их эродированности.
Реакция почвенного раствора (рНКС|) на территории участка изменялась от слабокислой до нейтральной (рис. 9). Неоднородность величины этого показателя связана с повышением кислотности в результате потери катионов кальция и магния вследствие интенсивного промывания почвенной толщи или с ее снижением при обнажении нижележащих слоёв почвы, насыщенных карбонатами.
Основные факторы дифференциации кислотности почвы в склоновом рельефе - экспозиция и уклон
(рис. 10). Установлена средняя зависимость между Таблица 4. Статистические параметры агрохимических показателей почвы
Параметры РНкс Гумус, % Нг Обменные основания "щг Ы-ЫНЛ 4 ы-ыо3 Подвижные
Са2+ Мд2+ р о 2 5 К20
мг-экв/100 г мг/100 г
Мах 7,2 6,16 5,06 29,10 5,00 19,22 2,07 5,02 34,10 28,10
Мт 5,30 4,78 0,51 22,00 2,90 14,12 0,17 0,25 6,10 9,60
X 6,23 5,57 2,30 25,21 4,01 16,74 0,77 0,77 12,78 13,80
БС 0,61 0,29 1,37 1,87 0,53 1,08 0,34 0,63 3,82 3,30
У,% 9,85 5,29 59,49 7,43 13,28 6,44 44,23 81,64 29,93 23,93
озимой пшеницы (август), мм
Параметр Запасы продуктивной влаги по слоям почвы, мм Оценка запасов продуктивной влаги
0...30 см 0.50 см 0.100 см
Мах 53,0 72,7 79,4 плохая
Мт 34,6 41,9 42,3 очень плохая
X 42 56 57 очень плохая
БС 6,28 11,89 12,99
У,% 15,1 21,2 22,8
Рис. 6. Картограмма содержания гумуса (%) в пахотном 0.20 см слое почв в агроландшафте.
Экспозиция склонов и уклон - основные факторы, влияющие на варьирование содержания гумуса почвы в склоновом рельефе. Установлена высокая зависимость содержания гумуса пахотного слоя почвы от экспозиции и крутизны склона (ЯМН = 0,72). Почва склонов северных направлений характеризуется большим содержанием гумуса, чем южных (рис. 8). Увеличению угла склона во всех случаях соответствует снижение содержания гумуса.
Рис. 8. Зависимость содержания гумуса пахотного слоя почвы от экспозиции и угла склона (Север - северная экспозиция, Юг - южная экспозиция, РЭ - плакор).
Рис. 10. Зависимость рН почвы от экспозиции и угла склона (Север - северная экспозиция, Юг - южная экспозиция, РЭ - плакор).
величинами этих полей (ЯМН = 0,59). Почва склонов северных направлений характеризуется большей кислотностью, чем на плакоре, южных - меньшей. Повышению крутизны склонов соответствует сдвиг величины рН в сторону подкисления.
Рис. 9. Картограмма группировки чернозёмных почв по степени кислотности (0...20 см) в зависимости от местоположения в рельефе.
Содержание щёлочногидролизуемого азота в пахотном слое (мг/100 г почвы) чернозёмных почв (0.20 см) в агроландшафте характеризовалось самым низким коэффициентом вариации: при частоте отбора почвенных проб через 100 м - 6,44 %, через 200 м - 7,06 %.
Характер распределения подвижного фосфора в агроландшафте неравномерный. Наибольшее его содержания отмечено в средней части западного склона
полигона, наименьшие - в нижней части южного и западного склонов (рис. 11). Кроме того, рост величины этого показателя наблюдали в нижней части склона южной экспозиции, по сравнению с верхней и средней, со 150 до 260 мг/кг. Почва приводораздельных и водораздельных частей склона содержит в среднем 150 мг/кг фосфора. Коэффициент вариации величины этого показателя был средним: при частоте отбора почвенных проб через 200 м - 25,17 %, через 100 м -29,93 %. Неравномерность распределения подвижного фосфора в агроландшафте вызывает сложности при использовании фосфорсодержащих удобрений, так как на отдельных участках поля сплошное их внесение приведет к зафосфачиванию, при этом другие (около 20 % пашни) будут испытывать дефицит.
Почва исследуемой территории характеризовалась очень высокой обеспеченностью подвижным калием (см. рис. 11). Наибольшее его содержание отмечали в аккумулятивной фации (180.290 мг/кг), самое низкое - в транзитных фациях на водоразделах (100.110 мг/кг). Варьирование величины этого показателя в агроландшафте было средним, практически не зависело от частоты отбора проб и составляло 23,61.23,93 %.
Пространственно-временная неоднородность параметров почвенного плодородия в агроландшафте со сложным рельефом возрастает, по сравнению с равнинными участками, практически по всем показателям [18], что свидетельствует о необходимости дифференцированного внесения удобрений. Сформированные на основе проведенных исследований рабочие участки позволят оптимизировать разме-
Рис. 11. Картограмма содержания (мг/100 г почвы) в пахотном слое (0.20 см) чернозёмных почв биогенных элементов в зависимости от местоположения на рельефе: а) азот щёлочногидролизуемый; б) подвижный фосфор; в) подвижный калий.
Рис. 12. Комплексная таксономическая оценка неоднородности агрохимических свойств при шаге сетки: а) 100 м; б) 200 м.
щение культур на поле и проведение агротехнологи-ческих мероприятий (рис. 12). При этом картосхема с шагом обследования 200 м менее информативна, чем с шагом 100 м. Самые высокие показатели таксономической оценки, основанные на данных агрохимического обследования,приурочены кплакорной части исследуемого полигона (3,8.4,4).
Анализ урожайности озимой пшеницы в агроландшафте свидетельствует о неравномерности ее распределения в зависимости от местоположения в рельефе (рис. 13). Наибольшая величина этого показателя (52,6.62,3 ц/ га) отмечена на северо-западной и северо-восточной экспозициях полигона, на которых таксономическая оценка составляла 3,8.4,4 балла. На водораздельном плато, расположенном в юго-западной части полигона, с таксономической оценкой 0,4.1,4 балла урожайность озимой пшеницы не превышала 45 ц/га.
Рис. 13. Картограмма урожайности озимой пшеницы в зависимости от местоположения в рельефе, ц/га.
В условиях недостаточной влагообеспеченности периода активной вегетации урожайность озимой пшеницы определяется основными лимитирующими факторами - экспозицией и уклоном склона, от которых зависят гидротермические условия, а также содержанием минерального азота в почве (рис. 14). Регрессионное уравнение, характеризующее эту зависимость (Я = 0,72), имеет следующий вид:
■ Х1 ■ Х2 + 0,99
Х0
У = 3,63 - 19,5 Г = 15,73, Я2 = 0,52, Р < 10-4 где У - урожайность озимой пшеницы, т/га; Х1 -характеристика экспозиции (тригонометрическое преобразование угла по азимуту, от северного направления - 1 до южного +1); Х2 - уклон по направлению склона; Х3 - содержание минерального азота (N-N0,, +N-NH4), мг/100 г.
Исходя из этой зависимости, лучшие условия для продукционного процесса озимой пшеницы формируются на склонах северных направлений с углом уклона 1,95.4,15° и содержанием минерального азота в почве 2,09.2,49 мг/100 г почвы. В точках с такими характеристиками (011, К7, Б11, Ш7) отмечали наибольшую урожайность - 59,4.62,3 ц/га.
Выводы. В результате исследований, проведенных на основе авторского методического подхода к агроэкологической оценке почв с использованием цифровых и ГИС-технологий, регрессионного анализа, установлены и количественно оценены зависимости показателей плодородия почв и урожайности сельскохозяйственных культур от морфометрических параметров рельефа в условиях ЦЧР.
Установлена высокая зависимость от экспозиции и угла склона содержания гумуса пахотного слоя почвы (ЯМН = 0,72) и средняя - рН почвы (ЯМН = 0,59). Содержание гумуса в черноземных почвах находится в обратной зависимости от степени их эродирован-ности, коэффициент корреляции равен -0,86.-Основные факторы, лимитирующие урожайность озимой пшеницы при недостаточной влагообеспеченности периода активной вегетации, - экспозиция и уклон склона, определяющие гидротермические условия, а также содержание минерального азота в почве (Ямн =0,72). В условиях типично эрозионного рельефа,
Рис. 14. Урожайность зерна озимой пшеницы (ц/га) в зависимости от расположения в рельефе и содержания минерального азота в почве (мг/100 г).
отличающегося явно выраженной волнистостью, выявлены особенности варьирования в пахотном слое агрохимических показателей, запасов продуктивной влаги, структурно-агрегатного состава, урожайности озимой пшеницы в зависимости от экспозиции склона и местоположения в рельефе. Определены направления поверхностного стока и аккумуляции стока с водосборной площади микроформами рельефа: наиболее интенсивный сток можно спрогнозировать на склонах северо-западной и северо-восточной экспозиций,
площадь водосборов которых достигает 10000 м2. Проведено прогнозирование распределения запасов почвенной влаги в зависимости от морфометрических параметров рельефа. Наиболее влагообеспеченны-ми могут быть участки полигона северо-западной и северо-восточной экспозиций с индексом влажности > 10,4. Полученные результаты необходимы для совершенствования агроэкологического мониторинга плодородия почвы и для рационального использования природно-ресурсного потенциала агроландшафтов.
Литература.
1. Shortrange and regional spatial variability of soil chemical properties in an agroecosystem in eastern Croatia /1. Bogunovic, S. Trevisani, M. Seput, et al. // Catena. 2017. № 154. P. 50-62.
2. Wood S. A., Tirfessa D., Baudron F. Soil organic matter underlies crop nutritional quality and productivity in smallholder agriculture //Agriculture, Ecosystems and Environment. 2018. Vol. 266. P. 100-108.
3. Агроэкологическая оценка земель, проектирование адаптивно-ландшафтных систем земледелия и агротехноло-гий. Методическое руководство / под ред. академиков РАСХН В. И. Кирюшина и А. Л. Иванова. М.: Росинформагротех, 2005. 784 с.
4. Effects of soil management techniques on soil water erosion in apricot orchards / S. Keesstra, P. Pereira, A. Novara, et al. // Science of the Total Environment. 2016. Vol. 551. P. 357-366.
5. Brevik E. C., Sauer T. J. The past, present, and future of soils and human health studies // Soil. 2015. No. 1. Р. 35-46.
6. Методические указания по проведению комплексного агрохимического обследования почв сельскохозяйственных угодий / М. А. Флоринский, А. Н. Поляков, А. В. Павлихина и др. М.: Центр научно-технической информации, пропаганды и рекламы Минсельхозпрода Российской Федерации, 1994. 98 с.
7. Spatial variability of soil properties and delineation of soil management zones of oil palm plantations grown in a hot and humid tropical region of southern India / S. K. Behera, R. K. Mathur, A. K. Shukla, et al. // Catena. 2018. Vol. 165. P. 251-259.
8. Exploring the spatial variability of soil properties in an Alfisol soil catena / F. Rosemary, U. W. A. Vitharana, S. P. Indraratne, et al. // Catena. 2017. Vol. 150. P. 53-61.
9. Научно-практические основы адаптивно-ландшафтной системы земледелия Курской области / Г. Н. Черкасов, Д. В. Дубовик, Н. П. Масютенко и др. Курск: ТОП+, 2017. 188 с.
10. Soil erosion, conservation, and eco-environment changes in the loess plateau of China / G. Zhao, X. Mu, Z. Wen, et al. // Land Degradation and Development. 2013. Vol. 24. P. 499-510.
11. Использование ГИС в точном земледелии / В. П. Якушев, Р. А. Полуэктов, З. И. Смоляр и др. // Агрохимический вестник. 2002. № 1. С. 34-39.
12. Оценка продуктивности почв агроценозов в глобальном масштабе по Мюнхебергской системе рейтинга качества почв /Л. М. Мюллер, У. Шиндлер, Ф. Ойленштайн и др. // Плодородие. 2016. № 5. С. 50-53.
13. Бабаян Л. А., Беляков А. М., Леонтьев В. В. Плодородие светло-каштановой почвы юга Приволжской Возвышенности, связанное с элементами рельефа и ориентацией склона // Научно-агрономический журнал. 2016. № 2. С. 49-54.
14. Система показателей агроэкологической оценки эродированных черноземов / Н. П. Масютенко, Г. П. Глазунов, А. В. Кузнецов и др. //Достижения науки и техники АПК. 2016. Т. 30. № 11. С. 7-11.
15. Оптимизация землепользования и типизация чернозёмов в аккумулятивно-эрозионных агроландшафтах на северо-востоке ЦЧР / И. И. Васенёв, О. С. Бойко, А. С. Цыгуткин и др. // Достижения науки и техники АПК. 2008. Т. 22. № 10. С. 52-54.
16. Рухович О. В. Пространственное распределение различных характеристик урожая в агроландшафтах // Проблемы агрохимии и экологии. 2017. № 2. С. 39-46.
17. Пространственное распределение характеристик урожая озимой пшеницы с использованием методов геомор-фометрии / О. В. Рухович, А. В. Перминов, О. И. Иванова и др. // Актуальные проблемы науки и образования в области естественных и сельскохозяйственных наук. 2018. Т. 1. № 1. С. 181-186.
18. Мнакацакан Х. Ш., Кильдюшкин В. М., Лесовая Г. М. Влияние рельефа агроландшафта на плодородие почвы и эффективность удобрений//Проблемы агрохимии и экологии. 2009. № 2. С. 14-17.
References
1. Bogunovic I, Trevisani S, Seput M, et al. Shortrange and regional spatial variability of soil chemical properties in an agroecosystem in eastern Croatia. Catena. 2017;(154):50-62.
2. Wood SA, Tirfessa D, Baudron F. Soil organic matter underlies crop nutritional quality and productivity in smallholder agriculture. Agriculture, Ecosystems and Environment. 2018;266:100-8.
3. Kiryushin VI, Ivanov AL, editors. Agroekologicheskaya otsenka zemel', proektirovanie adaptivno-landshaftnykh sistem zemledeliya i agrotekhnologii. Metodicheskoe rukovodstvo [Agroecological assessment of land, design of adaptive-landscape systems of agriculture and agricultural technologies. Methodical guide]. Moscow: Rosinformagrotekh; 2005. 784 p. Russian.
4. Keesstra S, Pereira P, Novara A, et al. Effects of soil management techniques on soil water erosion in apricot orchards. Science of the Total Environment. 2016;551:357-66.
5. Brevik EC, Sauer TJ. The past, present, and future of soils and human health studies. Soil. 2015;(1):35-46.
6. Florinskii MA, PolyakovAN, Pavlikhina AV, et al. Metodicheskie ukazaniya po provedeniyu kompleksnogo agrokhimicheskogo obsledovaniya pochv sel'skokhozyaistvennykh ugodii [Guidelines for a comprehensive agrochemical survey of agricultural soils]. Moscow: Tsentr nauchno-tekhnicheskoi informatsii, propagandy i reklamy Minsel'khozproda Rossiiskoi Federatsii; 1994. 98 p. Russian.
7. Behera SK, Mathur RK, Shukla AK, et al. Spatial variability of soil properties and delineation of soil management zones of oil palm plantations grown in a hot and humid tropical region of southern India. Catena. 2018;165:251-9.
8. Rosemary F, Vitharana UWA, Indraratne SP, et al. Exploring the spatial variability of soil properties in an Alfisol soil catena. Catena. 2017;150:53-61.
9. Cherkasov GN, Dubovik DV, Masyutenko NP, et al. Nauchno-prakticheskie osnovy adaptivno-landshaftnoi sistemy zemledeliya Kurskoi oblasti [Scientific and practical foundations of the adaptive landscape farming system of the Kursk region]. Kursk (Russia): TOP+; 2017. 188 p. Russian.
10. Zhao G, Mu X, Wen Z, et al. Soil erosion, conservation, and eco-environment changes in the loess plateau of China. Land Degradation and Development. 2013;24:499-510.
11. Yakushev VP, PoluektovRA, SmolyarZI, et al. [The use of GIS in precision farming]. Agrokhimicheskii vestnik. 2002;(1):34-9. Russian.
12. Myuller LM, Shindler U, Oilenshtain F, et al. [Assessment of soil productivity of agrocenoses on a global scale according to the Munichberg soil quality rating system]. Plodorodie. 2016;(5):50-3. Russian.
13. Babayan LA, Belyakov AM, Leont'ev VV. [Fertility of light chestnut soil in the south of the Volga Upland associated with relief elements and slope orientation]. Nauchno-agronomicheskii zhurnal. 2016;(2):49-54. Russian.
14. Masyutenko NP, Glazunov GP, Kuznetsov AV, et al. [The system of indicators of agroecological assessment of eroded chernozems]. Dostizheniya nauki i tekhniki APK. 2016;30(11):7-11. Russian.
15. Vasenev II, Boiko OS, Tsygutkin AS, et al. [Land use optimization and typification of chernozems in accumulatively erosive agrolandscapes in the northeast of the Central Chernozem region]. Dostizheniya nauki i tekhniki APK. 2008;22(10):52-4. Russian.
16. Rukhovich OV. [Spatial distribution of various crop characteristics in agrolandscapes]. Problemy agrokhimii i ekologii. 2017;(2):39-46. Russian.
17. Rukhovich OV, Perminov AV, Ivanova OI, et al. [Spatial distribution of winter wheat crop characteristics using geomorphometric methods]. Aktual'nye problemy nauki i obrazovaniya v oblasti estestvennykh i sel'skokhozyaistvennykh nauk. 2018;1(1):181-6. Russian.
18. Mnakatsakan KhSh, Kil'dyushkin VM, Lesovaya GM. [The influence of agrolandscape relief on soil fertility and fertilizer efficiency]. Problemy agrokhimii i ekologii. 2009;(2):14-7. Russian.
ЮБИЛЕЙ
Мазитову Назибу Каюмовичу - 80 лет!
Н. К. Мазитов родился 08.07.1940 г. в д. Старые Уруссы Ютазинского района Татарской АССР. В 1965 г. он окончил механический факультет Казанского сельскохозяйственного института им. М. Горького. В 1978 г. прошел стажировку в Челябинском институте механизации и электрификации сельского хозяйства, в 1994 г. в Среднеевропейском международном институте экономики (г. Будапешт).
Назиб Каюмович - кандидат технических наук (1976 г.), доктор сельскохозяйственных наук (1990 г.) по специальности 05.20.01 - технологии и средства механизации сельского хозяйства (технические науки), профессор кафедры эксплуатации машинно-тракторного парка (1996 г.), член-корреспондент Россельхоза-кадемии (2005 г.), член-корреспондент Российской академии наук (2014 г.).
Научно-исследовательские работы, внедренные в аграрное производство:
технология и средства механизации ухода за многолетними травами (1965-2004 гг.), удостоенная золотой медали ВДНХ СССР (1981 г.);
технология и средства механизации возделывания картофеля (1965-2004 гг.), удостоенная бронзовой медали ВДНХ СССР (1983 г.);
влаго-, энерго-, ресурсосберегающая технология производства продукции растениеводства, снижающая затраты до 4 раз при стоимости комплекса техники в 5.10 раз меньше, чем у лучших зарубежных аналогов (2000-2008 гг.), удостоенная золотой медали Российской агропромышленной выставки «Золотая 0сень-2008»;
комплекс унифицированных блочно-модульных культиваторов (1989-2010 гг.) защищенный 36 патентами и авторскими свидетельствами;
высокопроизводительная техника нового поколения для производства приоритетных групп продукции растениеводства (2008 г.), отмеченная дипломом за лучшую научную разработку в АПК России, присужденным Бюро ОМЭАСХ РАСХН;
ресурсосберегающая противозасушливая технология производства продукции растениеводства (20072018 гг.), удостоенная золотых медалей Российской агропромышленной выставки «Золотая Осень - 2009, 2010, 2011, 2012, 2017 гг».
Почетные звания и награды:
заслуженный работник сельского хозяйства Татарской АССР -1988 г.;
заслуженный деятель науки Российской Федерации - 1996 г.;
лауреат Государственной премии РСФСР в области науки и техники за создание и внедрение комплекса сельскохозяйственных орудий круглогодичного использования для поверхностной обработки почвы -1990 г.;
лауреат Государственной премии Республики Татарстан в области науки и техники за работу «Создание, технологическое обоснование, освоение производства модульно-блочных культиваторов для предпосевной обработки почвы» - 1999 г.;
лауреат премии Правительства Российской Федерации в области науки и техники за «Создание и внедрение в производство кормоуборочного комплекса «Полесье» - 2001 г.
За годы плодотворной научной деятельности Назиб Каюмович опубликовал более 450 научных трудов, в том числе 13 книг.
Девиз всей жизни Н. К. Мазитова: «Служу Отечеству» - так определено в библиографической энциклопедии издательства «Who is Who, Verlag fur Personenzyk-lopadien AG» (Швейцария) корпорации «The International Business Who is Who Corp» (Панама, 2010). Вся его деятельность направлена на возрождение отечественного регионального сельхозмашиностроения.
Работы Н. К. Мазитова внесли огромный вклад в агроинженерную науку.
Коллектив редакции журнала «Достижения науки и техники АПК» поздравляет Назиба Каюмовича со славным юбилеем, желает здоровья, благополучия и дальнейших успехов на научном поприще.
