Статья: Способ определения наименьшей влагоемкости на примере черноземных и каштановых почв Ростовской области

Способ определения наименьшей влагоемкости на примере черноземных и каштановых почв Ростовской области

А. С. Штанько, В. Н. Шкура

Цель исследования - разработка способа инструментально-аналитического определения наименьшей влагоемкости черноземных и каштановых почв степной, сухостепной и полупустынной природно-климатических зон Ростовской области. Достижение поставленной цели обеспечено решением задачи по инструментальному определению физических характеристик почв и установлению экспериментальных зависимостей, описывающих функциональные связи между их параметрами и наименьшей влагоемкостью почвы. В качестве почвенных параметров, оказывающих определяющее влияние на величину наименьшей влагоемкости почвы, рассмотрены плотность сложения почвы и содержание в ней физической глины и гумуса. Полученные трехфакторные экспериментальные математические модели позволяют прогнозировать (определять) среднепрофильные и послойные значения наименьшей влагоемкости почвы по рассмотренным физическим почвенным характеристикам. На основе полученных многофакторных математических моделей разработана методика, позволяющая с приемлемой для практики точностью прогнозировать среднепрофильные и послойные значения наименьшей влагоемкости почвы по известным, определяемым при почвенно-мелиоративных изысканиях (обследованиях) значениям содержания в почве физической глины, гумуса и плотности ее сложения. Предложенный способ инструментально-аналитического прогнозирования значений наименьшей влагоемкости значительно упрощает и снижает трудоемкость работ по определению указанной водно-физической характеристики почв, используемой при проектировании и эксплуатации систем капельного полива растений и других видов орошения. Структура полученных функциональных связей и расчетных зависимостей может быть использована и для других природно-климатических зон почвообразования при соответствующей корректировке экспериментальных коэффициентов и параметров.

Ключевые слова: почвенный покров, черноземы, каштановые почвы, влагоемкость почв, плотность сложения, физическая глина, гумус.

The purpose of the research is to develop a method of instrumental and analytical determination of the lowest moisture capacity of chernozem and chestnut soils of the steppe, dry-steppe and semi-desert natural and climatic zones of Rostov region. The achievement of this goal is provided by solving the problem of instrumental determination of soil physical characteristics and experimental dependencies describing the functional relationships between their parameters and the lowest soil moisture capacity. The bulk density and the content of physical clay and humus in it are considered as soil parameters having a decisive influence on the lowest soil moisture capacity value, The obtained three-factor experimental mathematical models help to predict (determine) the average profile and layer-by-layer values of the lowest soil moisture capacity by the considered physical soil characteristics. The technique allowing to predict the average profile and layer-by-layer values of the lowest soil moisture capacity by known values of physical clay, humus and bulk density content determined during soil-reclamation surveys (research) has been developed on the basis of obtained multifactoral mathematical models. The proposed method of instrumental and analytical predicting the lowest moisture capacity values greatly simplifies and reduces labour intensity to determine the specified hydrophysical soil characteristics used in design and operation of drip irrigation systems and other irrigation types. The structure of the obtained functional relationships and calculated dependencies can also be used for other natural-climatic zones of soil formation with appropriate adjustment of experimental coefficients and parameters.

Key words: soil cover, chernozem, chestnut soil, soil moisture capacity, bulk density, physical clay, humus.

Введение. Практика применения систем и технологий капельного орошения сельскохозяйственных угодий показала настоятельную необходимость более полного и точного учета почвенных факторов влияния на параметры контуров увлажнения почв при капельном поливе растений [1-4]. В качестве основных (определяющих параметры контура увлажнения подкапельного почвенного пространства) характеристик выделены: гранулометрический состав почвы, плотность ее сложения, содержание в почве гумуса и наименьшая влагоемкость [5]. Установление вышеуказанных почвенных параметров предусматривается нормативами и составом почвенных изысканий. Одним из наиболее трудоемких и времязатратных видов исследования почв является определение их водно-физических показателей, и в частности влагоемкости. В связи с этим отметим, что, несмотря на отработанность соответствующей методики исследования, разработки по совершенствованию и снижению трудозатратности определения значений наименьшей влагоемкости продолжаются до настоящего времени [6]. влагоемкость почва климатический

В рамках решения указанной задачи была выдвинута рабочая гипотеза о возможности инструментально-аналитического прогнозирования (определения) значений наименьшей влагоемкости почв по известным ее физическим характеристикам. Основой для выдвижения рабочей гипотезы являются известные сведения о влиянии различных показателей почвы на ее водно-физические характеристики, и на водоемкость почв в частности [7, 8]. Отметим, что известными исследованиями установлены преимущественно однофакторные связи между отдельными почвенными параметрами для определенных типов почв, сформировавшихся в определенных природно-климатических условиях. При этом установленные взаимосоотношения между отдельными почвенными характеристиками в реальной практике прогнозирования геометрических и влажностных параметров контуров капельного увлажнения почв не использовались. Все возрастающая потребность в точности прогнозирования зон увлажнения, формирующихся в почвенном пространстве при капельном поливе, вызвала необходимость установления среднепрофильных ( в процентах от массы сухой почвы (% МСП)) и послойных (, % МСП) значений наименьшей влагоемкости почвы. Указанная потребность вызвала необходимость проведения точных, затратных по времени и трудоемких полевых и лабораторных измерений и исследований.

Реализация выдвинутой рабочей гипотезы предусматривает предварительное накопление опытного материала, получение соответствующих многофакторных экспериментальных зависимостей и разработку на их основе способа (методики) прогнозирования значений наименьшей влагоемкости почвы по известным физическим почвенным характеристикам. Разработка вышеуказанного способа определения среднепрофильных и послойных значений наименьшей влагоемкости почвы была поставлена целью экспериментально-аналитического исследования.

Материалы и методы. Основу для анализа и обобщения составили материалы авторских и экспериментальных исследований зональных почв Ростовской области и опытов по определению параметров зон (контуров) увлажнения почвенного пространства, формирующихся при капельном поливе. Сбор исходного экспериментального материала проводился в типичных почвенных зонах области, почвенный покров которых представлен степными, сухостепными и полупустынными почвами: южными и обыкновенными черноземами степной зоны, темно-каштановыми и каштановыми почвами сухостепной зоны и светло-каштановыми почвами полупустынно-сухостепной природно-климатической зоны. Почвенные исследования на экспериментальных площадках совмещались с исследованиями контуров капельного увлажнения почвенного пространства. При проведении почвенных исследований в пределах метровой почвогрунтовой толщи определялись такие почвенные агрофизические характеристики, как содержание в почве физической глины (, % МСП), наименьшая влагоемкость почвы (, % МСП) и плотность ее сложения (, т/м³). Полевые измерения и последующий анализ почвенных характеристик осуществлялись по известным рекомендациям [9]. Исследование контуров капельного увлажнения почв заключалось в отборе почвенных проб, определении влажностных показателей, составлении матриц влажности и последующем построении контуров увлажнения и внутриконтурных разновлажностных линий - изоплет по методикам, приведенным в работах О. Е. Ясониди и др. [10-12]. Полученные результаты полевых исследований и их камеральной обработки анализировались и обобщались с использованием методик математической статистики. Экспериментальные зависимости, описывающие функциональные связи между отдельными почвенными характеристиками и параметрами контуров капельного увлажнения почвы, устанавливались в процессе их корреляционно-регрессионного анализа.

Результаты и обсуждение. На начальном этапе анализа экспериментального материала была проведена качественная оценка влияния установленных почвенных параметров на величину наименьшей влагоемкости почвы, в результате которой было установлено нижеследующее:

- определяющее влияние на величину наименьшей влагоемкости почвы оказывает ее гранулометрический состав, характеризуемый в том числе и содержанием в почве физической глины (, % МСП). При этом большему значению соответствует бомльшая величина ;

- значимое влияние на величину наименьшей влагоемкости оказывает плотность сложения почвы (, т/м³). При этом при прочих равных условиях большему значению соответствует меньшее значение ;

- на величину наименьшей влагоемкости почвы влияет содержание гумуса (, %) и мощность перегнойно-аккумулятивного слоя (, м).

Отмеченные выше качественные взаимоотношения между характеристиками , и подлежат учету при разработке структуры математической модели .

На последующем этапе анализа и обобщения фактических данных исследования проведено сопоставление авторских опытных данных с известными данными, полученными специалистами-почвоведами, и в частности с данными, приведенными А. А. Роде () [7]. Приведенные А. А. Роде [7] и авторские данные, проиллюстрированные на рисунке 1, аппроксимированы экспериментальной зависимостью:

, (1)

где - средняя по рассматриваемому метровому почвенному слою (среднепрофильная) величина наименьшей влагоемкости почвы, % МСП;

- среднее содержание физической глины в пределах рассматриваемого метрового профиля почвогрунтовой толщи, % МСП.

Статистическая оценка данных аппроксимации показала практическую приемлемость экспериментальной зависимости (1), которая позволяет прогнозировать средние значения наименьшей влагоемкости почвы в пределах метровой почвогрунтовой толщи, в диапазоне изменения значений от 25,0 до 75,0 % МСП при средней дисперсии = ±3,4 %.

Рисунок 1 - Экспериментальные и расчетные данные по соотношению

Полученная зависимость (1) была апробирована на предмет возможности ее использования для расчета значений наименьшей влагоемкости по отдельным почвенным слоям мощностью 0,1 м. Примеры исходных данных и результаты расчетов наименьшей влагоемкости для черноземных, каштановых и светло-каштановых почв приведены в таблице 1.

Судя по данным таблицы 1, можно заключить нижеследующее:

- зависимость (1) приемлема для определения среднепрофильных значений наименьшей влагоемкости для метрового слоя почвы с точностью, которая по результатам расчета составила 0,6-2,8 %;

- зависимость (1) неприемлема для расчета послойных значений в связи с наличием значительных отклонений расчетных по зависимости (1) значений наименьшей влагоемкости почвы от опытных значений.

Таблица 1 - Опытные почвенные параметры и расчетные по зависимости (1) значения наименьшей влагоемкости

Имеющие место отличия между опытными и расчетными значениями объясняются не учтенным зависимостью (1) значительным влиянием таких почвенных характеристик, как плотность сложения почвы и содержание в ней гумуса. После анализа и обобщения опытных данных была предложена четырехфакторная модель, которая позволяет учесть влияние всех почвенных факторов, предусмотренных рабочей гипотезой, на послойные значения наименьшей влагоемкости. Предложенная модель имеет вид:

, (2)

где - наименьшая влагоемкость -го слоя почвы, % МСП;

- содержание гумуса в -м слое почвогрунтовой толщи, %;

- содержание физической глины в -м слое почвы, % МСП;

- плотность сложения почвы в рассматриваемом слое почвы, т/м³;

- средняя по почвенному профилю плотность сложения почвы, т/м³;

- мощность (глубина) перегнойно-аккумулятивного слоя почвы, м.

Работоспособность экспериментальной математической модели (2) и точность прогнозирования послойных значений наименьшей влагоемкости проиллюстрированы примерами сопоставления опытных и расчетных значений этой водно-физической характеристики почвы (таблица 2).

Таблица 2 - Данные сопоставления опытных и расчетных значений наименьшей влагоемкости черноземных почв