CC BY
13
УДК / UDC 631.431.1
ПРОСТРАНСТВЕННАЯ НЕОДНОРОДНОСТЬ АГРОФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ СЕРЫХ ЛЕСНЫХ ПОЧВ СЕВЕРНОГО ЗАУРАЛЬЯ
SPATIAL HETEROGENEITY OF AGROPHYSICAL PROPERTIES OF GRAY FOREST SOILS OF THE NORTHERN TRANS-URALS
Каюгина C.M., старший преподаватель Kayugina S.M., Senior Lecturer Ерёмин Д.И.*, доктор биологических наук, профессор Eremin D.I., Doctor of Biological Sciences, Professor ФГБОУ ВО «Государственный аграрный университет Северного
Зауралья», Тюмень, Россия Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Northern Trans-Ural State
Agricaltural University, Tyumen, Russia *E-mail: soil-tyumen@yandex.ru
В статье представлены результаты многолетних исследований кафедры почвоведения и агрохимии Государственного аграрного университета Северного Зауралья. Цель исследований - изучение и оценка пространственной неоднородности агрофизических свойств целинных собственно-серых лесных почв. Всего было выполнено и описано 111 полнопрофильных разрезов, взяты образцы почвы для лабораторных анализов. Полученные результаты обрабатывались с помощью инструмента «Описательная статистика» в MS Excel. Была установлена тенденция естественного уплотнения гумусового горизонта (Ai): плотность сложения в среднем составляет 1,26±0,10 г/см3. В Северном Зауралье преобладают собственно-серые лесные почвы с плотностью сложения верхней части профиля выше среднего. Коэффициент вариации равен 8%, что соответствует незначительной степени пространственной неоднородности. Вниз по профилю плотность сложения увеличивается до 1,39±0,07 г/см3 в гумусово-элювиальном горизонте (А1А2) и 1,52±0,09 г/см3 в иллювиальном горизонте (В). Средние значения плотности твёрдой фазы по профилю изменяются в диапазоне от 2,45 до 2,54 г/см3, с максимальным проявлением в горизонте А1А2. Вариабельность незначительна. Пористость гумусового горизонта (Ai) собственно-серых лесных почв в среднем по выборке составляет 48%, что соответствует неудовлетворительному состоянию. Пористость уменьшается вглубь почвенного профиля до 45% в горизонте А1А2 и 39% в горизонте В. При вовлечении собственно-серых лесных почв в сельскохозяйственный оборот необходимо учитывать присутствие переуплотнённого слоя в иллювиальном горизонте, который может препятствовать движению воды и привести к поверхностному переувлажнению. Ключевые слова: агрофизические свойства, плотность, пористость, пространственная неоднородность, серые лесные почвы, Северное Зауралье.
The article presents the results of many years of research by the Department of Soil Science and Agrochemistry of the State Agrarian University of the Northern Trans-Urals. The purpose of the research is to study and evaluate the spatial heterogeneity of the agrophysical properties of virgin gray forest soils. A total of 111 full profile sections were made and described, and soil samples were taken for laboratory analysis. The results obtained were processed using the Descriptive Statistics tool in MS Excel. The tendency of natural compaction of the humus horizon (A1) was established: the density of soil structure averages 1.26 ± 0.10 g/cm3. In the Northern Trans-Urals, gray forest soils predominate with an above-average density in the upper part of the profile. The coefficient of variation is 8%, which corresponds to an insignificant degree of spatial heterogeneity. Down the profile, the density of soil structure increases to 1.39±0.07 g/cm3 in the humus-eluvial horizon (A1A2) and 1.52±0.09 g/cm3 in the illuvial horizon (B). The average values of the density of the solid phase along the profile vary in the range from 2.45 to 2.54 g/cm3, with a maximum manifestation in the A1A2 horizon. The variability is negligible. The porosity of the humus horizon (A1) of gray forest soils is 48% on average for the sample, which corresponds to an unsatisfactory state. Porosity decreases deep into the soil profile to 45% in the A1A2 horizon and 39% in the B horizon. When gray forest soils are involved in agricultural use, it is necessary to take into account the presence of an overcompacted layer in the illuvial horizon, which can impede the movement of water and lead to surface waterlogging.
Key words: agrophysical properties, density, porosity, spatial heterogeneity, gray forest soils, Northern Trans-Urals.
Введение. Собственно-серые лесные почвы в Северном Зауралье составляют 42% от всего типа серых лесных почв. Они равномерно распределены по подтаёжной и лесостепной зонам. В подтаёжной зоне собственно-серые лесные почвы используются активно. Отдельные поля были распаханы еще в 40-х годах XX века [1]. Однако в лесостепной зоне было вовлечено в пашню собственно-серых лесных почв значительно меньше по причине наличия более плодородных почв - чернозёмов, луговых и тёмно-серых. Поэтому потенциал для расширения сельскохозяйственных угодий в лесостепной зоне преимущественно представлен именно собственно-серыми лесными почвами [2].
Необходимо отметить, что на юге Тюменской области довольно часто встречаются территории, которые в прошлом использовались под пашней, но были заброшены и в настоящее время на них растут мелколиственные леса.
Подтип собственно-серых лесных почв, как отмечают почвоведы, имеет очень широкий диапазон агрофизических, физико-химических и водно-физических свойств [3-6]. Это затрудняет их оценку и использование в сельском хозяйстве.
Плодородие серых лесных почв преимущественно определяется физическими свойствами, поскольку при их формировании задействованы процессы перемещения гумуса и минеральных веществ из вышележащих горизонтов.
Подтип собственно-серых лесных почв имеет хорошо выраженную дифференциацию профиля по плотности сложения. Гумусовый горизонт более рыхлый по сравнению с нижележащими слоями. При вовлечении данного подтипа в сельскохозяйственный оборот необходимо учитывать вероятность присутствия переуплотнённого слоя в иллювиальном горизонте, который может препятствовать движению воды и привести к поверхностному переувлажнению.
Цель исследований: изучение и оценка территориальной неоднородности агрофизических свойств целинных собственно-серых лесных почв Северного Зауралья.
Условия, материалы и методы. Материалом для исследований послужили многолетние результаты полевых исследований кафедры почвоведения и агрохимии Государственного аграрного университета Северного Зауралья. В период с 1965 по настоящее время сотрудниками кафедры почвоведения и агрохимии было выполнено и описано 111 полнопрофильных разрезов целинных собственно-серых лесных почв. Одновременно с морфологическим описанием определяли плотность сложения методом Качинского в двенадцатикратной повторности. Определение плотности сложения и отбор проб вели до глубины 1 м с шагом 10 см. Взвешивание свежих образцов проводили в полевых условиях. После этого отбирали образцы на влажность и лабораторные анализы. Плотность твёрдой фазы определяли пикнометрическим методом, пористость - расчётным, по формуле:
Робщ.= (1 - dv /d)*100%, где dv - плотность сложения почвы, г/см3;
d - плотность твёрдой фазы г/см3.
После обработки результатов, данные усреднялись по генетическим горизонтам.
Статистическую обработку полученных данных выполняли в MS Excel. Оценку пространственной неоднородности осуществляли с помощью коэффициента вариации (Cv) по шкале, предложенной В.И. Савичем для почвенных показателей: незначительное варьирование - 0-10%; небольшое варьирование - 10-20%; среднее - 20-40%; высокое - 40-60%; очень высокое - >60% [7].
Результаты и обсуждение. Характер уплотнения почв тесно связан с гумусообразованием, поэтому в собственно-серых лесных почвах плотность сложения может изменяться в широком диапазоне [8-10]. Анализ данных показал, что плотность сложения в гумусовом горизонте (А1) собственно-серых
лесных почв составляет в среднем по выборке 1,26 г/см3 (табл. 1). Была зафиксирована минимальная плотность этого горизонта, равная 0,80 г/см3, что соответствует рыхлому сложению. В то же время максимум плотности приходился на отметку 1,49 г/см3, что соответствует избыточно плотному состоянию. Это объясняется различным содержанием гумусового вещества. Преобладают почвы с плотностью сложения выше средней, поскольку асимметрия левосторонняя, сильная. Значение коэффициента эксцесса, равное 5,81, указывает на острый пик распределения, что также наглядно иллюстрирует гистограмма (рис. 1). Плотность сложения в интервале от 1,29 до 1,35 г/см3 имеют 42% исследованных почвенных образцов. Вариабельность не значительная (коэффициент вариации равен 8%). Таким образом, был установлен характер естественного уплотнения гумусового горизонта собственно-серых лесных почв.
Таблица 1 - Статистические характеристики плотности сложения собственно-серых лесных почв, г/см3 (п=111)_
Показатели Горизонты
А1 А1А2 В1 В2
Среднее 1,26 1,39 1,50 1,52
Медиана 1,28 1,39 1,52 1,53
Мода 1,30 1,38 1,57 1,59
Стандартное отклонение 0,10 0,07 0,09 0,09
Дисперсия выборки 0,011 0,005 0,007 0,008
Эксцесс 5,81 0,86 0,43 0,17
Асимметричность -1,67 -0,50 -0,71 -0,57
Размах вариации 0,69 0,44 0,43 0,43
Минимум 0,80 1,13 1,22 1,25
Максимум 1,49 1,57 1,65 1,68
Коэффициент вариации (Су), % 8 5 6 6
В гумусово-элювиальном горизонте А1А2 плотность сложения составляет 1,39±0,07 г/см3, что на 10% выше значений горизонта А1. В то же время размах вариации ниже при незначительной вариабельности (Су=5%). В иллювиальном горизонте плотность сложения увеличивается до 1,52 г/см3. При такой степени уплотнения движение воды и воздухопроницаемость нарушаются, что окажет негативное влияние на развитие корневой системы в этом горизонте. Территориальная неоднородность плотности сложения в иллювиальном горизонте незначительная - коэффициент вариации равен 6%.
47
50
ш 45
о
40
т
га О. 35
О 30
О СО 25
1- и 20 -
01 15
т
10
о
И 5
0
12
11
I
0,80
0,87
0,94
1,01
1,08
1,15
1,21
1,28
1,35
1,42
Еще
Интервалы
Рисунок 1 - Гистограмма распределения собственно-серых лесных почв по плотности сложения гумусового горизонта А1, г/см3
В гумусовом горизонте (А1) собственно-серых лесных почв плотность твёрдой фазы в среднем по выборке составляет 2,45 г/см3, при этом значение показателя изменяется в широком диапазоне от 1,54 до 2,92 г/см3 (табл. 2). Столь существенное различие объясняется тем, что в выборке присутствуют образцы собственно-серых лесных почв с признаками второго гумусового горизонта и в которых в сильной степени проявляется подзолистый процесс. Преобладают почвы с плотностью твёрдой фазы ниже среднего, о чём свидетельствует медиана, равная 2,43 г/см3. Эксцесс отрицательный, то есть распределение плосковершинное, наблюдается разброс значений относительно среднего, что также можно увидеть на гистограмме (рис. 2). Пространственную неоднородность собственно-серых лесных почв по плотности твёрдой фазы гумусового горизонта можно оценить как небольшую (Су=12%).
Таблица 2 - Статистические характеристики плотности твёрдой фазы собственно-серых лесных почв, г/см3 (п=111)_
Показатели Горизонты
А1 А1А2 В1 В2
Среднее 2,45 2,54 2,52 2,49
Медиана 2,43 2,58 2,51 2,47
Мода 2,71 2,83 2,71 2,56
Стандартное отклонение 0,30 0,24 0,22 0,22
Дисперсия выборки 0,09 0,057 0,048 0,048
Эксцесс -0,63 -0,73 -0,74 -0,59
Асимметричность -0,36 -0,5 0,06 0,23
Размах вариации 1,38 0,95 0,96 0,93
Минимум 1,54 1,94 2,0 2,05
Максимум 2,92 2,89 2,96 2,98
Коэффициент вариации (Су), % 12 9 9 9
га о. ю о о
о
30 п
25
20
15
10 ■
5 -
16
17
О О
■ I I I I
10
1
1,54 1,68 1,82 1,95 2,09 2,23 2,37 2,51 2,64 2,78 Еще
Интервалы
Рисунок 2 - Гистограмма распределения собственно-серых лесных почв по плотности твёрдой фазы гумусового горизонта А1, г/см3
В гумусово-элювиальном горизонте А1А2 плотность твёрдой фазы выше, чем в верхней части почвенного профиля. В среднем её значение составляет 2,54 г/см3 при стандартном отклонении 0,24 г/см3. Дисперсия и размах вариации ниже, чем в гумусовом горизонте (А1). Вариабельность показателя незначительная (Су=9%). В иллювиальном горизонте плотность твёрдой фазы незначительно уменьшается относительно горизонта А1А2, составляет 2,49±0,22 г/см3. Вариабельность остаётся неизменной.
Пористость гумусового горизонта (А1) собственно-серых лесных почв в среднем по выборке составляет 48% при размахе вариации 23% от объёма почвы (табл. 3). Значения разбросаны относительно среднего, на что указывает отрицательный коэффициент эксцесса. Асимметрия левосторонняя, то есть
преобладают почвенные образцы с пористостью выше средней величины. На гистограмме распределения собственно-серых лесных почв по пористости (рис. 3) видно, что 59 образцов (53% от всей выборки) имеют пористость свыше 49%. Пространственная вариабельность небольшая (Оу=12%).
Таблица 3 - Статистические характеристики пористости собственно-серых лесных почв, % от объема (п=111)_'_
Показатели Горизонты
А1 А1А2 В1 В2
Среднее 48 45 40 39
Медиана 50 46 40 38
Мода 50 50 41 38
Стандартное отклонение 5,58 5,36 4,19 4,25
Дисперсия выборки 31,15 28,69 17,553 18,09
Эксцесс -0,67 -0,33 -0,78 -0,51
Асимметричность -0,56 -0,57 0,08 0,07
Размах вариации 23 23 18 20
Минимум 35 32 32 29
Максимум 58 55 50 49
Коэффициент вариации (Оу), % 12 12 10 11
30 ш о 25 =г т 5. 20 о § 13 ьи ® 10 к с; £ 5 п 11-1 1 13 1 12 1 11 1 13 24 18 4 ■
35 37 40 42 44 46 49 51 53 56 Еще
Интервалы
Рисунок 3 -- Гистограмма распределения собственно-серых лесных почв по пористости гумусового горизонта А1, % к объёму
В гумусово-элювиальном горизонте (А1А2) собственно-серых лесных почв пористость уменьшается до 45%, изменяясь в интервале от 32 до 55%. Медиана и мода выше среднего, то есть преобладают почвы с пористостью, превышающей средний уровень. На это указывает также «левый хвост» асимметрии. Вариабельность небольшая (Оу=12%).
Пористость уменьшается вглубь почвенного профиля и в иллювиальном горизонте в среднем составляет 39-40%. Вариабельность оценивается как небольшая (коэффициент вариации равен 10-11%).
Выводы. Проведенное исследование показало присутствие тенденции естественного уплотнения горизонта А1, что приближает собственно-серые лесные почвы к подтипу светло-серых. Образцов почвы с оптимальной плотностью незначительно. В Северном Зауралье преимущественно встречаются экземпляры с более высокой плотностью, достигающей 1,49 г/см3.
Горизонт А1А2 характеризуется более высоким уплотнением - средняя величина составляет 1,39 г/см3. В иллювиальном горизонте плотность сложения достигает максимальных величин - 1,52 г/см3. На отдельных участках данный показатель возрастает до 1,68 г/см3, тем самым обусловливая нарушение воздушного и водного режима.
Плотность твёрдой фазы в среднем по профилю варьирует от 2,45 до 2,54 г/см3, с максимальным проявлением в горизонте А1А2. Территориальная неоднородность плотности твёрдой фазы собственно-серых лесных почв Северного Зауралья незначительна.
Повышенная плотность сложения и дефицит перегноя в собственно-серых лесных почвах обусловливают меньший объём пор по сравнению с другими почвами, что может привести к нарушению воздушных свойств подпахотного горизонта при вовлечении их в сельскохозяйственный оборот.
БИБЛИОГРАФИЯ
1. Иваненко A.C. 4 века тюменского поля. Свердловск: Сред.-Урал. кн. изд-во, 1990. 205 с.
2. Ренёв Е.П., Ерёмин Д.И., Ерёмина Д.В. Оценка основных показателей плодородия почв наиболее пригодных для расширения пахотных угодий в Тюменской области // Достижения науки и техники АПК. 2017. T.31. № 4. С. 27-31.
3. Шапорина H.A., Сайб Е.А. Вариабельность агрофизических показателей комплекса склоновых почв Предсалаирья // Почвы и окружающая среда. 2020. Т. 3. № 2. С. 4.
4. Шапорина H.A., Чичулин A.B., Чумбаев A.C. Пространственная вариабельность водно-физических свойств темно-серой лесной почвы в условиях Предсалаирья // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. 2018. № 10. С.144-149.
5. Зинченко С.И., Шеин Е.В., Щукин И.М. Вариабельность агрофизических характеристик серых лесных почв / Современные проблемы инновационного развития сельского хозяйства и научные пути технологической модернизации АПК: материалы международной научно-практической конференции. Махачкала, 2016. С. 224-228.
6. Каюгина С.М., Ерёмин Д.И. Пространственная неоднородность распределения физической глины и ила в профиле серых лесных почв Северного Зауралья // Агрофизика. 2021. № 1. С. 7-13.
7. Савич В.И. Применение вариационной статистики в почвоведении. М.: TCXA, 1972. 104 с.
8. Ерёмин Д.И., Груздева H.A. Агрогенные изменения плотности серых лесных почв в Северном Зауралье // Сибирский вестник сельскохозяйственной науки. 2017. Т. 47. № 5 (258). С. 13-22.
9. Перфильев Н.В., Вьюшина O.A. Влияние плотности почвы при различных системах основной обработки на урожайность ячменя // Сибирский вестник сельскохозяйственной науки. 2016. № 1 (248). С. 5-12.
10. Исследование взаимосвязи «оптимальной плотности» почвы с урожайностью зерновых культур / Н.В. Перфильев, O.A. Вьюшина, A.A. Конищев, И.И. Гарифуллин // Агрофизика. 2017. № 4. С. 16-24.
REFERENCES
1. Ivanenko A.S. 4 veka tyumenskogo polya. Sverdlovsk: Sred.-Ural. kn. izd-vo, 1990. 205 s.
2. Renev Ye.P., Yeremin D.I., Yeremina D.V. Otsenka osnovnykh pokazateley plodorodiya pochv naibolee prigodnykh dlya rasshireniya pakhotnykh ugodiy v Tyumenskoy oblasti // Dostizheniya nauki i tekhniki APK. 2017. T.31. № 4. S. 27-31.
3. Shaporina N.A., Sayb Ye.A. Variabelnost agrofizicheskikh pokazateley kompleksa sklonovykh pochv Predsalairya // Pochvy i okruzhayushchaya sreda. 2020. T. 3. № 2. S. 4.
4. Shaporina N.A., Chichulin A.V., Chumbaev A.S. Prostranstvennaya variabelnost vodno-fizicheskikh svoystv temno-seroy lesnoy pochvy v usloviyakh Predsalairya // Mezhdunarodnyy zhurnal prikladnykh i fundamentalnykh issledovaniy. 2018. № 10. S.144-149.
5. Zinchenko S.I., Shein Ye.V., Shchukin I.M. Variabelnost agrofizicheskikh kharakteristik serykh lesnykh pochv / Sovremennye problemy innovatsionnogo razvitiya selskogo khozyaystva i nauchnye puti tekhnologicheskoy modernizatsii APK: materialy mezhdunarodnoy nauchno-prakticheskoy konferentsii. Makhachkala, 2016. S. 224-228.
6. Kayugina S.M., Yeremin D.I. Prostranstvennaya neodnorodnost raspredeleniya fizicheskoy gliny i ila v profile serykh lesnykh pochv Severnogo Zauralya // Agrofizika. 2021. № 1. S. 7-13.
7. Savich V.I. Primenenie variatsionnoy statistiki v pochvovedenii. M.: TSKhA, 1972. 104 s.
8. Yeremin D.I., Gruzdeva N.A. Agrogennye izmeneniya plotnosti serykh lesnykh pochv v Severnom Zaurale // Sibirskiy vestnik selskokhozyaystvennoy nauki. 2017. T. 47. № 5 (258). S. 13-22.
9. Perfilev N.V., Vyushina O.A. Vliyanie plotnosti pochvy pri razlichnykh sistemakh osnovnoy obrabotki na urozhaynost yachmenya // Sibirskiy vestnik selskokhozyaystvennoy nauki. 2016. № 1 (248). S. 5-12.
10. Issledovanie vzaimosvyazi «optimalnoy plotnosti» pochvy s urozhaynostyu zernovykh kultur / N.V. Perfilev, O.A. Vyushina, A.A. Konishchev, I.I. Garifullin // Agrofizika. 2017. № 4. S. 16-24.
