Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по сельскому хозяйству
На правах рукописи
Татаринцев Владимир Леонидович
ГРАНУЛОМЕТРИЯ АГРОПОЧВ ЮГА ЗАПАДНОЙ СИБИРИ
И ИХ ФИЗИЧЕСКОЕ СОСТОЯНИЕ
Специальность 06.01.03 - агропочвоведение, агрофизика
Автореферат
диссертации на соискание учёной степени
доктора сельскохозяйственных наук
Барнаул 2008
Работа выполнена в Алтайском государственном аграрном университете
Официальные оппоненты: академик РАСХН, доктор
сельскохозяйственных наук, А.Н. Каштанов;
член-корреспондент РАЕН,
доктор географических наук,
ведущий научный сотрудник А.Г. Дюкарев
доктор сельскохозяйственных
наук, профессор И.Т. Трофимов;
Ведущая организация: Московский государственный университет
Защита диссертации состоится л5 марта 2009 года в 900 часов на заседании диссертационного совета Д 220.002.01 в Алтайском государственном аграрном университете (656049 г. Барнаул, Красноармейский проспект, 98)
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Алтайского государственного аграрного университета
Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью, просьба высылать по указанному адресу учёному секретарю диссертационного совета. E-mail: kafzem@bk.ru Тел./факс 8(385)2622500
Автореферат разослан Е. 2009 года
Учёный секретарь диссертационного
совета доктор сельскохозяйственных
наук, доцент Е.Г. Пивоварова
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность проблемы. Значение гранулометрического состава в почвообразовании известно давно. Гранулометрический состав как важный признак положен в основу выделения одной из таксономических единиц современной классификации почв - разновидности. Во многих работах (В.Ф. Вальков, Ф.Я. Гаврилюк, Н.А. Качинский, С.И. Тайчинов, Н.Ф. Тюменцев и др.) подчёркивается агроэкологическая роль гранулометрического состава, определяющего плодородие почвы. Гранулометрический состав является основной агрофизической характеристикой, а также используется при оценке мелиоративного состояния почв. Все характеристики почв (агроэкологическая, агрофизическая, мелиоративная) проводятся на основе содержания физической глины (частиц размером менее 0,01 мм). Хотя почвенно-физические свойства зависят не столько от содержания физической глины, сколько от соотношения гранулометрических фракций, определяющих особенности структуры и функций на следующих, более высоких уровнях организации почвы.
Несмотря на большое различие свойств гранулометрических фракций, тем не менее, роль структуры гранулометрического состава в формировании почвенно-физических условий жизни растений не исследовалась. По крайней мере, в российской почвенной науке таких сведений нет. В зарубежной литературе на эту проблему обращается большое внимание, особенно в мелиоративных исследованиях. Таким образом, исследования по обозначенной проблеме актуальны как в теоретическом, так и в прикладном аспектах.
Целью исследований стало изучение региональных, зональных и внутризональных особенностей структуры гранулометрического состава агропочв предалтайских равнин, оценка степени влияния этой структуры на почвенно-физические условия мелиорации.
Для достижения поставленной цели следовало решить ряд задач:
1) выявить региональные закономерности гранулометрического состава агропочв;
2) установить зональные особенности гранулометрии агропочв;
3) исследовать внутризональные особенности гранулометрии пахотных почв;
4) определить специфику разновидностей агропочв;
5) изучить зональные и внутризональные особенности физического состояния агропочв в зависимости от гранулометрического состава;
6) дать сравнительную характеристику физического состояния разновидностей агропочв;
7) разработать модели прогноза физических свойств агропочв и солесодержания по результатам анализа гранулометрического состава.
Научная новизна. Впервые для всех классов почв (начиная с супесчаного и заканчивая глинистым) и зональных агропочв предалтайских равнин выявлены границы пространственной вариабельности количества различных фракций гранулометрического состава, определены относительно специфичные интервалы содержания песчаных частиц, крупной средней и мелкой пыли, илистой фракции и физической глины. Впервые для Азиатской части России проведено сравнение структуры гранулометрического состава по классам агропочв (супесчаные, легко-, средне-, тяжелосуглинистые и глинистые), выявлено влияние различных текстур гранулометрического состава почвы на их физическое состояние. Впервые разработаны модели прогноза физических свойств, содержания катионов и анионов водной вытяжки по результатам анализа гранулометрического состава, то есть содержания фракций элементарных почвенных частиц (ЭПЧ) и их соотношения.
На защиту выносятся:
1) Региональные, зональные, внутризональные особенности структуры гранулометрического состава агропочв;
2) Зависимость физического состояния почв от структуры гранулометрического состава;
3) Модели прогноза физических свойств агропочв и соленакопления по данным гранулометрического состава.
Практическая значимость работы. На базе исследований составлена карта гранулометрического состава агропочв Алтайского Приобья и разработаны информационно-логические модели прогноза физических свойств, содержания солей и ионов водной вытяжки по данным гранулометрического состава. Полученные материалы позволяют прогнозировать физические свойства почв и количество солей в зависимости от содержания фракций ЭПЧ.
Апробация работы. Материалы по проблеме диссертации докладывались на III, IV, V съездах Всероссийского общества почвоведов им. В.В. Докучаева, международных, всероссийских и региональных конференциях, конференциях профессорско-преподавательского состава Алтайского государственного аграрного университета, заседаниях Алтайского и Томского филиалов Докучаевского общества почвоведов.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 41 печатная работа, в том числе 6 монографий, 8 статей в изданиях, предложенных Перечнем ВАК, сборниках научных статей, материалах конференций, съездов.
ичный вклад автора. Автор сформулировал цель работы, поставил задачи исследования, проанализировал результаты, сделал итоговые выводы. Автор спланировал и организовал проведение полевых экспериментов и лично принимал участие в осуществлении полевых работ. Математическая часть работы, включающая статистическую обработку полученных данных, построение математических моделей полностью выполнена автором.
Объём и структура работы. Диссертационная работа изложена на 299 страницах компьютерного текста и состоит из введения, 5 глав, выводов, включает 62 таблицы, 73 рисунка. Библиографический список составлен из 209 наименований, в том числе 20 работ зарубежных авторов.
Персоналии. Выражаю искреннюю благодарность Заслуженному деятелю науки, доктору сельскохозяйственных наук, профессору Лидии Макаровне Бурлаковой, доктору биологических наук, главному научному сотруднику ИПА СО РАН, Владимиру Михайловичу Курачеву, доктору биологических наук, профессору Леониду Михайловичу Татаринцеву за ценные советы при написании диссертации. Также выражаю признательность докторам биологических наук, профессорам Е.В. Шеину, С.В. Макарычеву за беседы, которые помогли наметить программу исследований и совершенствовать содержание работы. За помощь в оформлении работы выражаю благодарность кандидату сельскохозяйственных наук П.А. Мягкому и всем сотрудникам кафедры землеустройства, земельного и городского кадастра.
1. СОСТОЯНИЕ ИЗУЧЕННОСТИ ПРОБЛЕМЫ
итературный обзор, сделанный более чем по 200 источникам подтверждает, что гранулометрия определяет гидрофизические, механические, реологические свойства почв, но роль структуры гранулометрического состава пока остаётся невыясненной, хотя интерес к этой проблеме значительно возрастает, особенно в зарубежной литературе. Интерес вызван тем, что соотношение гранулометрических фракций влияет на устойчивость почвенной структуры к механическим деформациям, противоэрозионную стойкость агрегатов, фильтрацию поливной воды, скорость и качество промывок засолённых почв, интенсивность почвообразовательных процессов.
2. ФАКТОРЫ ФОРМИРОВАНИЯ ТОЛЩИ ОСАДОЧНЫХ ПОРОД
2.1. Геоморфоструктуры Алтайского Приобья
Основные черты современной морфоструктуры Западно-Сибирской равнины окончательно сформировались в четвертичное время (Архипов и др., 1970). Территория Алтайского Приобья имеет форму амфитеатра, открытого на север, северо-запад и юго-запад. Исследуемая территория состоит из полого наклонённых к северу и северо-западу пластовых денудационных равнин и платообразных возвышенностей, образующих ступени. Присалаирье, Предалтайская предгорная равнина Бие-Чумышская возвышенность и Приобское плато относятся к внешней морфоструктурной зоне (рис. 1). В состав внутренней морфоструктурной зоны входит Кулундинская депрессия (низменность), продолжением которой является Барабинская низменная равнина.
Рис. 1. Схема основных морфоструктурных зон юго-восточной части
Западной Сибири (Адаменко и др., 1969; Вдовин, Малолетко, 1969;
Файнер, 1969; Адаменко, 1974).
Отрицательные формы макрорельефа; 1 - луговая пойма; 2 - песчано-супесчаные надпойменные террасы; 3 - дюнно-гривисто-боровые долины и озёрно-аллювиальные дельты ложбин древнего стока. Границы морфоструктурных зон: 4 - слабо выраженные (переход постепенный); 5 - заметно выраженные (переход ступенчатый); 6 - резко выраженные в рельефе (тектонические уступы)
Наиболее древней морфоструктурой является Предалтайская равнина, более молодыми морфоструктурами считаются Каменско-Чумышское Присалаирье и Бие-Чумышское (Обь-Чумышское) и Приобское плато. Эти морфоструктуры с востока окаймлены Салаирским кряжем, с юга и юго-запада - Горным Алтаем. На западе Алтайского края находится самая молодая морфоструктура - Кулундинская депрессия (низменность), к которой приурочена Кулундинская сухая степь.
2.2. Литогенез и почвообразующие породы
История формирования и эволюции морфоструктур Алтайского Приобья обусловили пространственную пестроту рыхлых осадочных пород, которые в конечном итоге стали исходным материалом для почвообразования.
В Кулундинской степи почвообразование протекает на озёрно-аллювиальных отложениях кулундинской свиты, перекрытых лёссовидными суглинками мощность которых изменяется от 0,5 до 6 м. Обычно лёссовые отложения приурочены к межозёрным гривам и лостровам.
Дельты ложбин древнего стока и их террасы сложены аллювиальными песками и супесями и перекрыты делювиальными суглинками.
На Приобском и Бие-Чумышском плато распространены субаэральные лёссовые породы среднекраснодубровской подсвиты. На водораздельных пространствах плато мощность лёссовых отложений достигает 15-20 м, местами больше, на террасах реки Оби и террасированных склонах ложбин древнего стока 1-5 м. Породы лёссового облика с характерным крупнопылеватым составом занимают обширные увалы плато.
На низких надпойменных террасах Бие-Чумышской возвышенности исходным материалом для почвообразования послужили опесчаненные легко- и среднесуглинистые облёссованные отложения.
Многометровая толща покровных суглинков вдоль Алтае-Салаирского обрамления сильно облёссована, но в предгорьях Салаира и Алтая мощность лёссовых образований по сравнению с платообразными равнинами значительно сокращается, что связано со смывом рыхлого осадочного материала в межгорные понижения. В Присалаирье толща лёссовидных суглинков не превышает 5-6 м. Ближе к подножию Салаира лёссовые отложения становятся тяжелее и мощность их возрастает до 7-8 м (Орлов, 1983). На Предалтайской наклонной равнине и предгорьях Алтая распространены элювий и делювий коренных пород (Карманов, 1965).
Верхняя толща лёссовых отложений мощностью 6-10 м имеет послеледниковый возраст (не старше. 11-12 тыс. лет) и относится ко времени последней норильской (сартанской) стадии зырянского оледенения (Архипов и др., 1970; Архипов, 1971). Эоловый материал для накопления мощных толщ лёссовых отложений выносился из Казахстана, а возможно, даже из Средней Азии (Малолетко, 1963; Архипов, 1971; Адаменко, 1974). В.В. Вдовин и А.М. Малолетко (1969) предполагают, что во время самаровского оледенения, эоловый материал вследствие возникновения пыльных бурь мог поступать и из центральных районов Кулунды. Развеиванию подвергались отложения обширных дельтовых пространств Кулунды и ложбин древнего стока Приобского плато, о чем свидетельствует хорошо сохранившийся дюнный рельеф.
Основными факторами, определяющими пространственное размещение почвообразующих пород являются аллювиальная и озерная аккумуляция рыхлых осадков, скорость поверхностных водотоков, интенсивность делювиального смыва, эоловый перенос и отложение пыли, а также синтетические процессы выветривания и почвообразования. Количество субаэрально отложенного материала и интенсивность процессов выветривания и почвообразования нарастает в направлении от Кулундинской степи к предгорьям Салаира и Алтая, что обусловлено биоклиматическими условиями и гипсометрическими уровнями территории Алтайского Приобья.
2.3. Климатические условия
В пределах равнинной территорий края выделяются следующие природные зоны (Сляднев, Сенников, 1972; Сляднев, 1973): 1) сухая степь; 2) типичная степь; 3) колочная степь; 4) южная лесостепь; 5) северная лесостепь; 6) подтайга.
Краткая характеристика типов климата по сумме температур выше 10С, годовому и сезонному количеству осадков и некоторым другим параметрам приводится в таблице 1.
Таблица 1
Климатические параметры природных зон Алтайского Приобья
Природная зона | Радиационный баланс ккал/см2 в год | Испаряемость, мм; IV-IX | Осадки, мм | Сумма температур выше 10С | ГТК по Селянинову, за V-IX месяцы | Продолжительность периода | Средняя высота снежного покрова, см | |
год | IV-IX | |||||||
Салаир | 32-36 | 380-400 | 450-500 | 330-360 | 1800-2000 | 1,58 | 110-125 | 50-60 |
Северная | 30-32 | 380-400 | 400-450 | 280-340 | 1800-1900 | 1,67 | 122-128 | 35-50 |
Средняя | 32-36 | 380-470 | 350-400 | 250-280 | 1900-2000 | 1,31 | 123-132 | 28-45 |
Предгорья | 38-40 | 400-550 | 450-700 | 350-500 | 1900-2100 | 2,04 | 133-137 | 50-65 |
Предгорья | 38-40 | 470-600 | 400-600 | 300-450 | 2100-2200 | 1,90 | 130-137 | 40-45 |
Колочная степь | 36-40 | 470-550 | 320-350 | 230-250 | 2000-2100 | 0,95 | 125-135 | 31-35 |
Засушливая | 40-42 | 550-600 | 300-330 | 210-230 | 2100-2200 | 0,81 | 126-137 | 30-35 |
Сухая степь | >42 | 600-700 | 230-300 | 180-210 | 2200-2400 | 0,65 | 131-136 | 30-33 |
Из материалов следует, что чернозёмы Присалаирья и предгорий северного Алтая формируются в условиях промывного типа водного режима, чернозёмы средней лесостепи и северо-западного Алтая - периодически промывного, чернозёмы колочной и засушливой степи, каштановые почвы сухой степи - непромывного. Оптимальными с точки зрения естественных процессов почвообразования, являются условия предгорий Алтая (Хмелёв, 1989). В этом случае процессы массопереноса скомпенсированы, а затраты энергии на почвообразование максимальны. Следует вместе с тем отметить, что чернозёмы, обладая большими запасами свободной энергии, аккумулированной в гумусе, являются крайне неравновесными системами, а следовательно, отзывчивы на любые изменения массо- и энергообмена с окружающей средой.
3. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДОЛОГИЯ ИССЛЕДОВАНИЯ
3.1. Объекты исследования
Общие закономерности пространственного размещения почв на исследуемой территории Алтайского края установлены давно (Герасимов, 1940; Горшенин, 1955; Почвы..., 1959; Хмелёв, 1989; и др.),
В пределах аллювиальных равнин Алтайского края получили развитие чернозёмы выщелоченные и оподзоленные разной мощности и гумусированности, типичные, как правило, мощные и тучные, обыкновенные, преимущественно среднемощные мало- и среднегумусные, южные обычно маломощные и малогумусные, а также хемогенные - солонцеватые и осолоделые, приуроченные к зонам аккумуляции общего геохимического стока (Хмелёв, 1982, 1988, 1989). На крайнем западе и юго-западе расположена зона сухих степей, в которой сформировались тёмно-каштановые и каштановые почвы.
Явная современная зависимость пространственного размещения основных подзональных подтипов чернозёмов и зоны каштановых почв от ороклиматических условий, несомненно, унаследована от доземледельческого периода развития этих почв, когда решающую роль в почвообразовании играл биологический фактор. В настоящее время, в связи с тем, что естественные биоценозы лесостепного и степного типа заменены на агроценоз, географическая приуроченность основных типов и подтипов почв, как считает В.А. Хмелёв (1988, 1989), поддерживается в основном различиями гидротермического режима, обусловленными в свою очередь, особенностями строения поверхности.
При этом подзоны южных и обыкновенных чернозёмов, а так же зону каштановых почв В.А. Хмелёв относит, к системе широтной почвенной зональности, испытывающих лишь косвенное влияние гор, что выражается в их субмеридиональности, то подзона выщелоченных и оподзоленных - к системе вертикальной почвенной поясности. Она проявляется, как известно, в результате так называемого прямого влияния гор (в результате последовательного изменения климатических условий по мере увеличения абсолютных высот).
3.2. Методология анализа гранулометрического состава почв
В своих исследованиях широко применяли системный подход. С позиции системного подхода почва рассматривается как самостоятельная природная система, сформировавшаяся в результате взаимодействия различных факторов почвообразования: климата, рельефа, живого вещества, прежде всего растительности, почвообразующих пород и времени. Контроль со стороны факторов почвообразования осуществляется через элементарные почвообразовательные процессы - ЭПП (Герасимов, 1956, 1973, 1986). В результате почвообразовательные процессы в течение длительного времени (временного тренда) приводят к образованию нормальной (зональной) почвы, под которой И.А. Соколов (1993, 2004) понимает модальную для той или иной зоны почву.
Методология генетического анализа почвы, формирующейся по правилу (факторы, процессы, свойства) достаточно проста. Свойства горизонтов сравниваются с залегающей под почвой породой, и делается вывод об изменениях свойств породы под влиянием почвенных процессов. В почвоведении для получения информации о почве давно используется субстантивный подход (Соколов, 1993, 2004). Субстантивный подход применялся при изучении состава и структурной организации почвы. При субстантивном подходе используется широкий арсенал прямых методов (Аринушкина, 1971; Вадюнина и др., 1986).
Морфологические методы использовали на всех уровнях изучения организации почвы. Морфологические методы представляют интерес на первых стадиях изучения почвы: классификации, группировки объектов исследования. Особенно высока роль морфологических методов при полевой диагностике почв, генетическом прочтении почвенного профиля, отборе образцов, выборе ключевых участков и точек для стационарных исследований, картографировании почв и т.д. (Соколов, 2004).
Для понимания полученных результатов использовали следующие способы генетической интерпретации фактических материалов: сравнительно-профильный, сравнительно-профильно-режимный, сравнительный эколого-генетический (сравнительно-географический).
Изучение особенностей гранулометрического состава, физического состояния в зависимости от гранулометрического состава проведено во всех почвенно-географических зонах (подзонах), описанных выше. В обобщении использованы данные, полученные проектными организациями Алтайводпроект и АлтайНИИземпроект, а также Л.М. Татаринцевым. В обработку включено более 500 разрезов, заложенных в различных природных условиях.
При выявлении зональных особенностей и факторов пространственной изменчивости гранулометрического состава, определении границ и степени варьирования содержания отдельных фракций ЭПЧ использованы методы вариационной статистики. (Плохинский, 1970; Савич, 1972; Доспехов, 1979).
Расчёт статистических показателей (средней арифметической - М, средних квадратичных отклонений - , ошибок средних - m и коэффициентов вариации - V) произведен по формулам Б.А. Доспехова (1979) с использованием ЭВМ.
За границы доверительного интервала средней арифметической величины принят лимит Мtm (где t - критерий Стьюдента при заданной вероятности).
Для распознавания различий в содержании фракций ЭПЧ, параметров физического состояния пахотного горизонта почв широко использовали построение эмпирических кривых распределения, которые позволяют выявить специфичные и относительно специфичные значения для данной почвы. Такой метод диагностики достаточно широко применяется в медицине (Генес, 1967; Цитировано по Л.М. Бурлаковой, 1984), биологии (Плохинский, 1970), почвоведении (Таргульян, 1971; Бурлакова, 1975, 1984; Рассыпнов, 1977, 1993; Татаринцев, 1993) и других областях знания. Сравнение кривых распределения сделано по критерию Колмогорова-Смирнова (), который рассчитан по алгоритмам Н.А. Плохинского (1970).
Для определения наиболее вероятных значений параметров мелиоративного состояния и установления зависимости этих параметров от структуры гранулометрического состава использован информационно-логический анализ (Пузаченко, Мошкин, 1969). Описание алгоритма информационно-логического метода обработки данных сделано в работе В.А. Рассыпнова (1987).
4. ГРАНУЛОМЕТРИЧЕСКИЙ СОСТАВ АГРОПОЧВ
ПРЕДАЛТАЙСКИХ РАВНИН
4.1. Региональные закономерности гранулометрии агропочв
В пределах предалтайских равнин наблюдается общая пространственная закономерность, отмечаемая многими исследователями почв региона (ПочвыЕ, 1959; Панфилов, 1973; Агрофизическая характеристикаЕ, 1976; Почвенно-физические условияЕ, 1977; Хмелёв, 1989; Татаринцев Л.М., 1993, 2005; Татаринцев В.Л., 1998, 2004; и др.). При движении с юго-запада на северо-восток по мере продвижения к горам Салаира и Алтая в связи с увеличением возраста почв повышается их оглиненность. Пространственное размещение почв различного гранулометрического состава в пределах предалтайских равнин изображено на карте-схеме (рис. 2). На карте-схеме видно, что песчаные почвы находятся в пределах ложбин древнего стока, занятых сосновыми борами, а также приурочены к I и II надпойменным террасам реки Обь (правобережье), на которой также расположены сосновые леса.
Супесчаные почвы господствуют в центральной части Кулундинской депрессии, а также расположены узкими полосами вдоль ложбин древнего стока на Приобском плато и в лесостепной зоне на переходе Бие-Чумышского плато к песчано-боровой террасе долины реки Обь.
В дельтовой части ложбин древнего стока и в районах перехода Приобского плато в Кулундинскую пониженную равнину, на террасированных склонах ложбин древнего стока и в правобережной части лесостепи на стыке второй и третьей надпойменных террас, получили развитие легкосуглинистые разновидности почв.
Высокие террасы озёр и рек в Кулундинской пониженной равнине, увалы Приобского плато, возвышенные равнины Бие-Чумышского плато, а также подгорные равнины Алтая и Салаира занимают почвы среднесуглинистого гранулометрического состава. Площади среднесуглинистых почв в Алтайском крае занимают 5446 тыс. га, или 32% территории.
Рис. 2. Карта-схема гранулометрического состава почв
предалтайских равнин
Почвы предгорных равнин, предгорий и низкогорий Салаира и Алтая имеют тяжелосуглинистый и глинистый гранулометрический состав.
Среднее количество песка от супесчаных до глинистых почв уменьшается, а количество илистой фракции, суммы средней и мелкой пыли увеличивается (рис. 3). Количество крупной пыли растёт до среднесуглинистых почв, а затем снижается в тяжелосуглинистых и особенно глинистых почвах. Минимальная пространственная изменчивость (V<10%) характерна для содержания физической глины, для других фракций размер варьирования изменяется от небольшого (V=10-20%) до высокого (V>40%).
Анализ пространственной изменчивости содержания гранулометрических фракций показывает, что наибольший размер колебаний содержания песчаных частиц отмечается в средне- и тяжелосуглинистых, крупной пыли - в супесчаных и легкосуглинистых, средней и мелкой пыли - в супесчаных и среднесуглинистых, илистой фракции - в легко- и среднесуглинистых. Широкий размах варьирования гранулометрических фракций в суглинистых почвах обусловлен распространением этого класса почв на всей территории предалтайских равнин, начиная с сухой степи и заканчивая лесостепью и предгорьями Алтая. Причиной колебания содержания фракций гранулометрического состава является естественная полигенетичность пород, а также чередование водных и эоловых фаз в истории развития территории. Варьирование содержания гранулометрических фракций в профиле почв связано с почвообразованием и протеканием процессов водной и ветровой эрозии, как ускоренной (антропогенной), так и нормальной, или геологической.
Рис. 3. Формула гранулометрического состава (среднее содержание фракций):
1 - супесчаные, 2 - легкосуглинистые, 3 - среднесуглинистые,
4 - тяжелосуглинистые, 5 - глинистые (а - гор. Апах, б - гор. В1, в - гор. В2
и г - гор. Ск). I - ил, II - средняя и мелкая пыль, III - крупная пыль, IV - песок.
По структуре гранулометрического состава в классе супесчаных почв преобладают иловато-песчаные и крупнопылевато-песчаные, в группе легкосуглинистых, кроме названных разновидностей, встречаются ещё песчано-крупнопылеватые. Из шести разновидностей (иловато-песчаные, пылевато-песчаные, крупнопылевато-песчаные, песчано-крупнопылеватые, иловато-крупнопылеватые, иловато-пылеватые), выделенных в классе среднесуглинистых почв, наибольшие площади занимают песчано-крупнопылеватые. Особенно широко эта разновидность распространена на Бие-Чумышском плато, а крупнопылевато-песчаные - на Приобском плато. Иловато-пылеватые и иловато-крупнопылеватые разновидности распространены среди тяжелосуглинистых почв. Среди глинистых почв преимущественное распространение получила крупнопылевато-иловатая разновидность.
Таким образом, на территории предалтайских равнин среди агропочв встречаются пять классов - супесчаные, легко-, средне- и тяжелосуглинистые, глинистые. При этом количество песка от класса супесчаных почв к классам тяжелосуглинистых и глинистых почв уменьшается в 7-8 раз. Содержание крупной пыли от супесчаных почв к среднесуглинистым увеличивается в 4-5 раз, достигая 40-50% в крупнопылеватых почвах, затем в тяжелосуглинистых и глинистых почвах доля крупной пыли снижается в 1,5-1,7 раза по сравнению со среднесуглинистыми почвами. Количество средней и мелкой пыли растёт от 5-10% в супесчаных почвах до 35-40% - в тяжелосуглинистых и глинистых почвах, или в 4-5 раз. В той же пропорции увеличивается количество иловатых частиц.
Завершая раздел, подчеркнём, что в классах супесчаных и легкосуглинистых почв разновидности различаются по содержанию песчаных частиц, крупной пыли, суммарному количеству мелкой и средней пыли. Разновидности класса среднесуглинистых почв существенно различаются по содержанию всех гранулометрических фракций. Исключение составляет только физическая глина. Разновидности тяжелосуглинистых и глинистых почв различаются по количеству тонких фракций - средней и мелкой пыли.
4.2. Зональные особенности гранулометрии агропочв
Сравнительная оценка гранулометрического состава проведена в границах классов почв, расположенных в разных почвенно-географических зонах. Так, легкосуглинистые почвы получили развитие в зонах сухой степи, засушливой, умеренно-засушливой и колочной степи, а также средней лесостепи, среднесуглинистые почвы кроме названных зон встречаются в Присалаирьи и луговой степи предгорий и низкогорий Алтая. Тяжелосуглинистые почвы сформировались, начиная с колочной степи и заканчивая луговой степью предгорий и низкогорий Алтая.
Анализ рисунка 4 показывает, что среднее содержание частиц размером 1-0,05 мм в легкосуглинистых почвах по мере движения от зоны сухих степей до зоны средней лесостепи уменьшается с 46-61% до 22-23%. В зависимости от горизонтов это уменьшение составляет
24-38%. Количество крупной пыли в том же направлении возрастает
с 13-23% до 49-52%, или на 30-36% в зависимости от горизонта почвы.
Межзональные различия среднеарифметического содержания песчаных частиц и фракции крупной пыли существенны при 95 и 99% вероятности (d>НСР05>НСР01). По суммарному среднему количеству средней и мелкой пыли зональные почвы легкосуглинистого состава различаются меньше, чем по среднему содержанию песка и крупной пыли. Тем не менее, различия между зональными почвами по содержанию частиц 0,01-0,001 мм в большинстве горизонтов существенны при 95 и 99%-ной вероятности. Почвы средней лесостепи содержат на 1-6% таких частиц больше, чем почвы сухой степи. В почвообразующей породе среднее содержание средней и мелкой пыли находится в интервале
11-12% и различия между зональными почвами несущественны (tф
Рис. 4. Изменение содержания гранулометрических фракций в зональных почвах легкосуглинистого состава (а - 1-0,05 мм, б - 0,05-0.01 мм, в - 0,01-0,001 мм,
г - <0,001 мм, д - <0,01 мм): 1 - гор. Апах, 2 - гор. АВ, 3 - гор. В, 4 - гор. Ск.
I - сухая степь; II - засушливая; III - колочная; IV - средняя лесостепь.
Среднее содержание песка в среднесуглинистых почвах (рис. 5) по мере движения от зоны сухих степей до Присалаирья уменьшается
с 31-39% до 9-15%.
Рис. 5. Изменение содержания гранулометрических фракций в зональных почвах среднесуглинистого состава (а - 1-0,05 мм, б - 0,05-0,01 мм, в - 0,01-0,001 мм,
г - менее 0,001 мм, д - менее 0,01 мм): 1 - гор. Апах, 2 - гор. АВ, 3 - гор. В,
4 - гор. Ск. I - сухая степь; II - засушливая; III - колочная; IV - луговая;
V - средняя лесостепь; VI - Присалаирье
По различным генетическим горизонтам уменьшение составляет 18-20%. Содержание крупной пыли от сухой степи до Присалаирья возрастает на 24,8-27,2%. Все почвы среднесуглинистого состава различны по содержанию крупной пыли при 95%-ном уровне вероятности (d>НСР05). Минимальное количество средней и мелкой пыли наблюдается в почвах сухой, колочной степей и средней лесостепи, максимальное - в засушливой, луговой степях и Присалаирьи. Содержание илистой фракции изменяется зеркально противоположно изменению содержания средней и мелкой пыли. Почвы засушливой степи и средней лесостепи содержат меньше физической глины, чем почвы колочной, луговой степей и Присалаирья.
Тяжелосуглинистые почвы степных зон (рис. 6) обогащены песком и илистой фракцией, но обеднены пылеватыми (крупная, средняя и мелкая пыль) частицами по сравнению с лесостепными почвами. Разница по содержанию крупной пыли между степными и лесостепными почвами составляет по горизонтам от 10 до 26,5%. В лесостепных почвах вся толща над почвообразующей породой содержит больше песка, средней и мелкой пыли, но меньше крупной пыли и ила. В почвах колочной степи, средней лесостепи и Присалаирья вся толща над почвообразующей породой обогащена физической глиной, а в почвах луговой степи, напротив, обеднена.
Рис. 6. Изменение содержания гранулометрических фракций в зональных почвах тяжелосуглинистого состава (а - 1-0,05 мм, б - 0,05-0,01 мм, в - 0,01-0,001 мм,
г - менее 0,001 мм, д - менее 0,01 мм): 1 - гор. Апах, 2 - гор. АВ, 3 - гор. В,
4 - гор. Ск. I - сухая степь; II - засушливая; III - колочная; IV - луговая;
V - средняя лесостепь; VI - Присалаирье
В легко- и среднесуглинистых почвах по мере повышения гипсометрических отметок и нарастания гумидности почвообразования уменьшается количество песчаных, растёт количество пылеватых частиц и илистой фракции. В почвах с элювиально-иллювиальной дифференциацией профиля (засушливая степь, средняя лесостепь и Присалаирье) наблюдается более высокое содержание средней и мелкой пыли, но меньшее содержание ила, чем в степных почвах (сухая, колочная и луговая степи). По содержанию песчаных фракций более однородными оказываются почвы сухой степи, по содержанию крупной, средней, мелкой пыли и ила - почвы Присалаирья. В классе тяжелосуглинистых почв более однородными по гранулометрии являются почвы Присалаирья.
4.3. Внутризональные особенности гранулометрии агропочв
Выявление особенностей гранулометрического состава агропочв внутри зон проведено путём сравнения структуры (формул) гранулометрического состава, профильного распределения содержания гранулометрических фракций, статистических характеристик содержания фракций ЭПЧ.
Сухая степь. В зоне получили развитие почвы трёх классов - супесчаного, легко- и среднесуглинистого.
Все почвы супесчаного гранулометрического состава имеют устойчиво одинаковую структуру (формулу) гранулометрического состава
(рис. 7 а).
Рис. 7. Формула гранулометрического состава почв сухой степи супесчаного (а), легкосуглинистого (б) и среднесуглинистого (в) классов (1 - светло-каштановые,
2 - каштановые, 3 - тёмно-каштановые, 4 - лугово-каштановые):
I - ил, II - средняя и мелкая пыль, III - крупная пыль, IV - песок
Кривые обладают чётко выраженным во всех почвах минимумом содержания средней и мелкой пыли и максимумом содержания мелкого и среднего песка.
В пахотном горизонте каштановых и тёмно-каштановых почв, а также в гумусовой части профиля (гор. А и В1) лугово-каштановых почв наиболее вероятное содержание песчаных частиц (1-0,05 мм) находится в интервале 70-75%. В почвообразующей породе тёмно-каштановых и лугово-каштановых почв количество песка увеличивается до 80-85%. Во всех остальных почвах и горизонтах наиболее вероятное содержание песчаных частиц лежит в интервале 75-80%. Лугово-каштановые почвы в иллювиальной зоне (гор. В1 и В2) и светло-каштановые почвы в пахотном горизонте более обогащены крупной пылью (10-15%), чем другие почвы (5-10%). Светло-каштановые почвы в гумусовой части (гор. А и В1) содержат меньше илистой фракции (5-10%), чем в нижележащих горизонтах этого подтипа каштановых почв и других зональных почвах. В классе супесчаных почв самой высокой неоднородностью содержания гранулометрических фракций в пространстве обладают каштановые почвы. По содержанию крупной пыли наиболее однородны лугово-каштановые почвы, по другим фракциям - тёмно-каштановые почвы.
Судя по структуре гранулометрического состава, во всех почвах легкосуглинистого класса (рис. 7 б), по-прежнему, максимум приходится на содержание песчаных частиц. Для каштановых и лугово-каштановых почв на кривых отчётливо выделяется минимум по содержанию средней и мелкой пыли, для светло- и тёмно-каштановых почв в минимуме находится содержание илистой фракции.
В классе легкосуглинистых почв минимальным вероятным количеством песчаных частиц выделяются лугово-каштановые почвы (45-50%), максимальным (55-65%) - светло-каштановые и каштановые, среднее положение занимают тёмно-каштановые (50-55%) почвы. Наиболее вероятное содержание крупной пыли в светло- и тёмно-каштановых почвах равно 15-20%, против 10-15% в каштановых и лугово-каштановых почвах. Минимальное количество средней и мелкой пыли (5-10%) характерно для каштановых и лугово-каштановых почв, максимальное - для тёмно-каштановых. Светло-каштановые почвы по содержанию частиц 0,01-0,001 мм занимают промежуточное положение. Наиболее вероятное количество ила с 5-10% в светло-каштановых почвах, растёт до
15-20% в лугово-каштановых, при одинаковом (10-15%) содержании ила в каштановых и тёмно-каштановых почвах.
Светло-каштановые почвы более однородны в пространстве по содержанию песка, крупной, средней и мелкой пыли, каштановые - по содержанию ила. Самым высоким разнообразием по содержанию песка, средней и мелкой пыли отличаются лугово-каштановые почвы, по содержанию крупной пыли - каштановые, а по количеству ила - тёмно-каштановые.
В формулах гранулометрического состава среднесуглинистых почв (рис. 7 в) выделяется максимум содержания песчаных фракций. Для тёмно-каштановых почв и почвообразующей породы зональных почв сухой степи наблюдается минимум содержания илистой фракции, для каштановых и лугово-каштановых почв - содержание мелкой и средней пыли.
Минимальное вероятное количество песка (30-35%) и максимальное содержание крупной пыли (25-30%) характерно для каштановых почв. Тёмно-каштановые почвы в отличие от лугово-каштановых
в гор. В1 содержат больше песка (40-45%), средней и мелкой пыли (15-20%) и меньше крупной пыли (10-15%) и ила (15-20%). Самым высоким разнообразием в пространстве по содержанию песка и крупной пыли отличаются лугово-каштановые, а по содержанию средней, мелкой пыли и ила - тёмно-каштановые почвы. Наиболее однородными по содержанию песка являются тёмно-каштановые, по содержанию других фракций - каштановые почвы. Все почвы сухой степи (независимо от класса) имеют наибольшее разнообразие по содержанию пылеватых частиц, наименьшее - по содержанию песка и ила.
Засушливая степь. В подзоне распространены почвы двух классов - легко- и среднесуглинистые.
егкосуглинистые почвы засушливой степи имеют одинаковую текстуру гранулометрического состава (рис. 8 а), но чернозёмы южные в отличие от лугово-чернозёмных почв содержат меньше крупной пыли и ила и больше песчаных частиц и средней и мелкой пыли. Наиболее вероятные интервалы подтверждают различие чернозёмов и лугово-чернозёмных почв. В классе легкосуглинистых почв наибольшим разнообразием по содержанию средней и мелкой пыли отличаются лугово-чернозёмные почвы, по другим фракциям более разнообразны чернозёмы южные.
Рис. 8. Формулы гранулометрического состава почв засушливой степи
егкосуглинистого (а) и среднесуглинистого (б) классов (1 - чернозёмы южные,
2 - лугово-чернозёмные): I - ил, II - средняя и мелкая пыль,
III - крупная пыль, IV - песок
Формулы гранулометрического состава среднесуглинистых почв засушливой степи (рис. 8 б) показывают, что в чернозёмах южных максимум характерен для содержания крупной пыли, в лугово-чернозёмных - для содержания песчаных частиц. Чернозёмы южные отличаются от лугово-чернозёмных почв меньшим количеством песка и илистой фракции и бльшим количеством пылеватых частиц. Наиболее вероятные интервалы также указывают на разницу чернозёмов и лугово-чернозёмных почв. Наибольшее разнообразие по содержанию крупной пыли имеют лугово-чернозёмные почвы, содержанию остальных фракций чернозёмы южные.
Умеренно-засушливая и колочная степь. Внутри подзоны встречаются в основном почвы среднесуглинистого гранулометрического состава.
Соотношение гранулометрических фракций, представленное на рисунке 9 а, свидетельствует, что особых различий между зональными почвами умеренно-засушливой и колочной степи не наблюдается.
Рис. 9. Формула гранулометрического состава почв колочной и луговой степей среднесуглинистого (а, б) и тяжелосуглинистого (в) классов (1 - чернозёмы
обыкновенные, 2 - чернозёмы выщелоченные, 3 - лугово-чернозёмные):
I - ил, II - средняя и мелкая пыль, III - крупная пыль, IV - песок
Формулы гранулометрического состава имеют ясно выраженный максимум по содержанию крупной пыли и минимум по содержанию мелкой и средней пыли. Минимальное количество песка характерно для чернозёмов обыкновенных, максимальное - для чернозёмов выщелоченных. Наибольшим количеством пылеватых частиц отличаются чернозёмы выщелоченные. По содержанию илистой фракции выделяются лугово-чернозёмные почвы. Наиболее вероятное содержание песка в лугово-чернозёмных почвах выше (20-25%), чем в других почвах подзоны (10-15%). Чернозёмы выщелоченные отличаются от чернозёмов обыкновенных и лугово-чернозёмных почв бльшим содержанием крупной пыли. Лугово-чернозёмные почвы - самые однородные по содержанию гранулометрических фракций. По содержанию песка наиболее разнообразны чернозёмы обыкновенные, по содержанию средней, мелкой пыли и ила - чернозёмы выщелоченные, по содержанию крупной пыли - лугово-чернозёмные почвы.
уговая степь. В зоне распространены средне- и тяжелосуглинистые почвы.
Формулы гранулометрического состава (рис. 9 б) среднесуглинистых почв имеют максимум по содержанию крупной пыли и минимум по содержанию песчаных частиц. При этом чернозёмы выщелоченные содержат больше крупной пыли и ила, а чернозёмы обыкновенные песка, средней и мелкой пыли. Наиболее вероятное содержание песка подчёркивает, что чернозёмы обыкновенные среднесуглинистого класса больше (15-20%) содержат песка, чем чернозёмы выщелоченные (10-15%), а в нижней части профиля, наоборот, чернозёмы выщелоченные более обогащены песком. Наиболее вероятное содержание крупной пыли по всему профилю чернозёмов выщелоченных выше (35-40%), чем в чернозёмах обыкновенных (30-35%). Чернозёмы выщелоченные наиболее разнообразны по содержанию песка, чернозёмы обыкновенные - по содержанию более мелких фракций.
Особенности, выявленные для чернозёмов среднесуглинистого гранулометрического состава, сохраняются и для чернозёмов тяжелосуглинистого состава. Отличие между средне- и тяжелосуглинистыми почвами проявляется в том, что чернозёмы обыкновенные тяжелосуглинистые более разнообразны, чем среднесуглинистого состава. Кроме того, чернозёмы обыкновенные тяжелосуглинистые более разнообразны, чем чернозёмы выщелоченные, по всем гранулометрическим фракциям.
Средняя лесостепь. В зоне сильно расчленённой средней лесостепи гранулометрический состав агропочв преимущественно среднесуглинистый.
Формулы гранулометрического состава почв средней лесостепи (рис. 10 а) красноречиво говорят о высоком сходстве почв средней лесостепи.
Рис. 10. Формула гранулометрического состава почв средней лесостепи (а)
и Присалаирья (б) среднесуглинистого класса (1 - серые лесные, 2 - тёмно-серые лесные, 3 - чернозёмы оподзоленные, 4 - чернозёмы выщелоченные):
I - ил, II - средняя и мелкая пыль, III - крупная пыль, IV - песок
На кривых хорошо видны максимум по содержанию крупной пыли и минимум по содержанию песка. Тем не менее, среднее содержание песчаных фракций возрастает по мере движения от тёмно-серых лесных почв к чернозёмам выщелоченным, а содержание крупной пыли и ила уменьшается, при одинаковом содержании средней и мелкой пыли во всех почвах зоны. Эту тенденцию подтверждают наиболее вероятные интервалы содержания гранулометрических фракций. По содержанию гранулометрических фракций наиболее однородными являются чернозёмы оподзоленные, в свою очередь наибольшим разнообразием в пространстве отличаются чернозёмы выщелоченные. Причиной разной неоднородности почв по содержанию гранулометрических фракций оказывается их положение в различных позициях ландшафта, в пределах которых располагаются чернозёмы. Чернозёмы выщелоченные, занимающие трансэлювиальные и трансаккумулятивные фации ландшафта, подвергаются латеральному перераспределению ЭПЧ, что усиливает степень варьирования содержания фракций. Более высокая неоднородность чернозёмов выщелоченных по сравнению с тёмно-серыми лесными почвами обусловлена приуроченностью первых к инсолируемым склонам, вторых - к теневым.
Присалаирье. Присалаирская сильно расчленённая равнина характеризуется распространением почв, средне- и чаще тяжелосуглинистого гранулометрического состава.
Судя по соотношению гранулометрических фракций (рис. 10 б), в почвах Присалаирья, по-прежнему преобладает крупная пыль и в минимуме находится песок. В почвах Присалаирья впервые содержание средней и мелкой пыли превышает содержание ила. Серые лесные почвы отличаются от чернозёмов оподзоленных более высоким содержанием средней и мелкой пыли и меньшим количеством илистой фракции. По среднему содержанию других фракций сравниваемые почвы очень близки, а по наиболее вероятным интервалам содержания фракций одинаковы. Почвы Присалаирья очень одинаковы по содержанию гранулометрических фракций, на что указывают незначительные коэффициенты вариации, разница между которыми составляет не более 1,5%.
4.4. Разновидности почв и их специфика
Разновидности почв по гранулометрическому составу выделены по соотношению фракций ЭПЧ. Их выделение сделано на основе преобладающих фракций, как это предлагал Н.А. Качинский (1958). Изучение особенностей разновидностей почв по зонам Алтайского Приобья проведено В.Л. Татаринцевым (1998, 2004, 2008). В автореферате отражены лишь общие закономерности.
В каштановых почвах сухой степи и чернозёмах южных засушливой степи супесчаного и легкосуглинистого гранулометрического состава получили развитие иловато-песчаные, крупнопылевато-песчаные разновидности, а в классе среднесуглинистых почв наряду с названными разновидностями появляется песчано-крупнопылеватая разновидность почв. В подзоне чернозёмов обыкновенных умеренно-засушливой и колочной степи кроме трёх названных разновидностей выделяется иловато-крупнопылеватая разновидность. Песчано-крупнопылеватые и иловато-крупнопылеватые разновидности встречаются в почвах луговой степи, средней лесостепи и Присалаирья. Кроме того, в этих зонах нашли распространение пылеватые и крупнопылевато-иловатые разновидности почв.
В таблице 2 приведено среднее содержание гранулометрических фракций в зависимости от разновидности. Все разновидности расположены в порядке убывания средневзвешенного эффективного диаметра частиц, образующих структуру гранулометрического состава.
Анализ цифрового материала таблицы показывает, что иловато-песчаные каштановые почвы содержат больше, чем крупнопылевато-песчаные почвы, песчаных и илистых частиц и меньше пылеватых частиц (0,05-0,001 мм). Эта закономерность выполняется для почв сухой и засушливой степей. Разница средних величин содержания указанных гранулометрических фракций для всех горизонтов почв существенна (d>НСР05). Отмеченная закономерность соблюдается в почвах колочной и луговой степей, средней лесостепи и только в отношении песчаных и крупнопылеватых частиц. В чернозёмах колочной степи на фоне снижения количества песка и увеличения содержания крупной пыли растёт содержание иловатых частиц. При этом отмечается снижение содержания средней и мелкой пыли. В почвах луговой степи и средней лесостепи на фоне повышения количества ила наблюдается снижение количества средней и мелкой пыли. При этом разница между разновидностями по содержанию гранулометрических фракций статистически доказывается (НСР05 Таблица 2 Среднее содержание гранулометрических фракций в разновидностях зональных почв Алтайского Приобья (класс среднесуглинистые) Почвы Разновидность Содержание фракций, %; размер, мм 1-0,05 0,05-0,01 0,01-0,001 <0,001 <0,01 Каштановые почвы сухой степи Илов.-песч. 43,2 17,4 13,3 22,4 35,7 Кр. пыл.-песч. 33,7 28,8 20,3 16,1 36,4 НСР05 4,7 3,3 1,5 3,2 2,3 Чернозёмы южные засушливой степи Илов.-песч. 38,5 25,7 14,2 20,7 34,9 Кр. пыл.-песч. 21,8 40,5 22,6 12,9 35,5 НСР05 3,9 3,5 4,0 3,3 2,3 Чернозёмы обыкновенные колочной степи Кр. пыл.-песч. 35,3 27,2 13,6 21,9 35,5 Песч.-кр. пыл. 24,6 37,3 14,6 20,6 35,2 Илов.-кр. пыл. 15,0 43,4 13,2 24,7 37,9 НСР05 4,6 5,5 2,5 3,4 2,8 Чернозёмы выщелоченные луговой степи Песч.-кр. пыл. 24,8 36,6 12,1 16,1 37,2 Илов.-кр. пыл. 13,9 41,9 18,0 21,8 39,8 НСР05 6,5 6,2 3,9 3,5 2,9 Чернозёмы выщелоченные средней лесостепи Песч.-кр. пыл. 21,8 42,5 19,0 16,7 35,7 Илов.-кр. пыл. 12,8 49,2 17,6 20,2 37,8 НСР05 5,8 6,7 2,8 3,6 2,5 Чернозёмы оподзоленные Присалаирья Илов.-кр. пыл. 9,0 41,9 29,5 18,9 48,4 Пылеватые 8,0 44,9 22,4 25,1 47,5 НСР05 1,8 2,3 2,0 1,4 1,3 Гораздо меньшие различия наблюдаются между разновидностями тяжелосуглинистых почв. различия существенны только для средней, мелкой пыли и ила. По содержанию песка и крупной пыли почвы одинаковы (НСР05>d). 4.5. Гранулометрический состав и почвообразование При выявлении изменений гранулометрии почв, вызываемых педогенезом, применяется способ сопоставления содержания ила в генетическом горизонте и так называемой лусловной породе. Для характеристики степени обеднения-обогащения горизонтов профиля по сравнению с условной почвообразующей породой использовали не абсолютное содержание фракций, а коэффициенты концентрации ила, представляющие собой частное от деления среднего содержания ила в горизонте на среднее содержание ила в материнской породе. Сравнение данных, приведенных в таблице 3 указывает, что степень обеднения почвенного профиля илом увеличивается снизу вверх. Накопление ила наблюдается в классе супесчаных почв, а также иллювиальных горизонтах всех других классов почв, начиная с легкосуглинистого и заканчивая глинистым составом. Максимальное накопление ила происходит в среднесуглинистых почвах. По мере облегчения и утяжеления гранулометрического состава степень аккумуляции ила уменьшается. Таблица 3 Коэффициенты концентрации илистой фракции в зависимости Горизонт Класс почв супесчаные егко-суглинистые средне-суглинистые тяжело-суглинистые глинистые Апах 1,04 0,87 0,89 0,89 0,86 АВ 1,10 0,92 1,05 0,88 0,99 В 1,11 1,06 1,13 1,05 1,04 Ск 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 Сопоставление коэффициентов концентрации ила зональных почв в пределах среднесуглинистой группы (табл. 4) указывает, что процессы аккумуляции илистой фракции получили преимущественное развитие в почвах сухой степи. Обогащение верхней части профиля почв сухой степи илом обусловлено ослабленным (по сравнению с другими зонами) проявлением миграционных процессов, способных перемещать тонкодисперсный материал. Вынос ила составляет не более 5% от исходного содержания ила в породе, что равно примерно 1% абсолютного содержания ила. Горизонт АВ чернозёмов луговой степи оказывается наиболее обогащён илом по сравнению с другими зональными почвами. И.И. Карманов (1965) объяснил это явление внутрипочвенным выветриванием минералов и накоплением ила. По мере движения от луговой степи в сторону сухой степи и в сторону лесостепи Присалаирья потери ила в пахотном горизонте возрастают, в первом случае, в связи с миграцией внутрь профиля и развитием дефляции, во втором - миграции и развития эрозии. Причём самые высокие потери илистой фракции отмечаются в чернозёмах Присалаирья. Таблица 4 Коэффициенты концентрации илистой фракции по почвенным зонам (класс среднесуглинистые) Горизонт Почвенно-географические зоны Сухая степь Засушливая степь Колочная степь уговая степь Средняя лесостепь Присала-ирье Апах 1,00 0,88 0,87 0,95 0,82 0,61 АВ 1,11 0,91 1,05 1,13 1,03 0,95 В 1,16 1,06 1,10 1,13 1,14 1,24 Ск 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 Внутризональные особенности развития процессов выноса-накопления ила показаны на примере среднесуглинистых почв средней лесостепи (табл. 5). Таблица 5 Коэффициенты концентрации ила в среднесуглинистых почвах средней лесостепи Горизонт Чернозём Чернозём Тёмно-серые Класс Песч.-кр. пыл. Илов.-кр. пыл. Класс Песч.-кр. пыл. Илов.-кр. пыл. Класс Песч.-кр. пыл. Илов.-кр. пыл. Апах 0,80 1,13 0,98 0,86 1,03 0,89 0,84 1,04 0,86 АВ 1,08 1,05 1,15 1,06 0,90 1,09 0,95 1,03 0,98 В 1,20 1,24 1,14 1,00 1,07 1,05 1,14 1,86 1,20 Ск 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 Из данных следует, что самые высокие потери ила наблюдаются в пахотном горизонте почв. Высокие потери ила из пахотного горизонта обусловлены совместным проявлением процессов смыва почвы и вертикальным переносом в глубь профиля. Самое высокое накопление ила отмечается в иллювиальной зоне профиля. Особенно высокое (по сравнению с породой) накопление ила характерно для чернозёмов выщелоченных. Процесс накопления ила в иллювиальной зоне чернозёмов оподзоленных и тёмно-серых лесных почв протекает слабее, поскольку ЭПЧ разрушаются до простых оксидов, мигрирующих в глубь профиля. В почвах средней лесостепи среднесуглинистого состава самое высокое накопление ила по сравнению с породой обнаружено в песчано-крупнопылеватых разновидностях. В почвах этой же разновидности сильнее проявляется элювиально-иллювиальное перераспределение илистой фракции с максимальным её накоплением в иллювиальном горизонте. По мере повышения дисперсности почв вынос ила ослабевает. Отметим, что интенсивность перераспределения илистой фракции зависит от класса почвы по гранулометрическому составу, напряжённости почвообразовательного процесса и структуры гранулометрического состава. При установлении степени выноса-накопления ила необходимо сравнивать почвы в рамках одной разновидности, принадлежащей к одному классу. В противном случае можно получить искажённые представления об интенсивности процессов иллювиирования фракции мельче 0,001 мм. 5. ФИЗИЧЕСКОЕ СОСТОЯНИЕ АГРОПОЧВ ПРЕДАЛТАЙСКИХ РАВНИН В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ГРАНУЛОМЕТРИЧЕСКОГО СОСТАВА 5.1. Состояние проблемы В разделе излагается история исследований физического состояния почв юга Западной Сибири. Отмечается заслуга учёных института почвоведения и агрохимии СО РАН (Агрофизическая характеристикаЕ, 1976; Почвенно-физические условияЕ, 1977), а также агрофизиков Алтайского НИИСХ (Журавлёва, 1977), Алтайского государственного аграрного университета (Карпачевский, 1959; Трофимов, 1967; Татаринцев Л.М., 1993, 2005; Кудрявцев, 1995; Татаринцев В.Л.. 1998, 2004, 2008). 5.2. Зональные особенности физического состояния агропочв Чтобы установить зональные особенности уровня микроагрегированности агропочв, мы рассчитали абсолютное содержание истинных водопрочных микроагрегатов (Baver, 1956; Low, 1966 и др.), получаемое по разности однозначных фракций (0,25-0,01 мм) микроагрегатного и гранулометрического анализов почв. Абсолютное содержание истинных микроагрегатов размером 0,25-0,01 мм и других физических свойств определялось в пределах трёх классов почв по гранулометрическому составу - легко-, средне- и тяжелосуглинистого. Результаты исследований приведены в таблице 6. Судя по материалам, минимальная способность к микроагрегированию наблюдается в легкосуглинистых почвах. Более оптимальные условия для микроагрегирования создаются в среднесуглинистых почвах, в которых количество истинных микроагрегатов почти в 2 раза выше, чем в легкосуглинистых. В тяжелосуглинистых почвах способность минеральной основы к микроагрегированию чуть ниже, чем в среднесуглинистых почвах. Таблица 6 Физическое состояние пахотного горизонта зональных агропочв Свойства Почвенные зоны 1* 2 3 4 5 6 егкосуглинистые Количество истинных микроагрегатов 15,1 19,0 18,7 Ц 18,3 Ц Количество водопрочных агрегатов 5-0.25 мм, % 12,3 14,8 26,5 Ц 22,6 Ц Плотность почвы, г/см3 1,42 1,28 1,28 Ц 1,05 Ц Плотность твёрдой фазы, г/см3 2,59 2,56 2,53 Ц 2,56 Ц Порозность общая, % V 46,0 50,0 48,4 Ц 58,9 Ц Порозность аэрации, % V 20,2 21,4 17,9 Ц 29,1 Ц МГ, % массы 3,9 4,7 4,9 Ц 5,1 Ц НВ, % массы 18,4 22,3 25,3 Ц 21,5 Ц Коэффициент фильтрации, мм/мин 1,31 0,95 0,80 Ц Ц Ц Среднесуглинистые Количество истинных микроагрегатов 27,2 22,0 29,3 38,2 26,0 28,0 Количество водопрочных агрегатов 5-0.25 мм, % 11,7 43,0 33,3 80,0 22,6 78,3 Плотность почвы, г/см3 1,31 1,25 1,20 1,15 1,11 1,04 Плотность твёрдой фазы, г/см3 2,59 2,58 2,57 2,59 2,48 2,41 Порозность общая, % V 48,7 51,8 53,1 55,7 55,1 57,9 Порозность аэрации, % V 18,9 20,7 20,2 22,4 20,9 26,8 МГ, % массы 5,0 6,3 6,2 7,8 7,3 9,0 НВ, % массы 23,7 23,4 28,0 30,2 32,5 33,7 Коэффициент фильтрации, мм/мин 0,90 0,56 0,98 1,10 0,75 0,80 Тяжелосуглинистые Количество истинных микроагрегатов Ц Ц 27,0 35,2 27,5 17,8 Количество водопрочных агрегатов 5-0.25 мм, % Ц Ц 46,6 84,7 42,2 53,2 Плотность почвы, г/см3 Ц Ц 1,19 1,05 1,14 1,10 Плотность твёрдой фазы, г/см3 Ц Ц 2,59 2,56 2,58 2,52 Порозность общая, % V Ц Ц 54,0 59,0 55,8 56,3 Порозность аэрации, % V Ц Ц 22,2 25,6 23,3 18,8 МГ, % массы Ц Ц 7,4 9,3 8,8 10,7 НВ, % массы Ц Ц 30,7 35,0 30,4 35,9 Коэффициент фильтрации, мм/мин Ц Ц 0,93 2,23 1,05 1,50 *) Примечание: 1 - каштановые почвы сухой степи, 2 - чернозёмы южные засушливой степи, 3 - чернозёмы колочной степи, 4 - чернозёмы луговой степи, 5 - чернозёмы средней лесостепи, 6 - чернозёмы Присалаирья Абсолютное содержание истинных микроагрегатов в классе легкосуглинистых почв незначительно растёт от почв сухой степи к почвам засушливой степи, оставаясь практически неизменным вплоть до почв средней лесостепи. В средне- и тяжелосуглинистых почвах самый высокий потенциал к микроагрегированию отмечается в почвах луговой степи предгорий и низкогорий Алтая, минимальный - в почвах засушливой степи и средней лесостепи. Высокий потенциал микроагрегирования в почвах луговой степи обусловлен высокой выветрелостью минералов, накоплением высокодисперсных минералов слюда-смектитовой группы (монтмориллонита), минералов полуторооксидов, высоким количеством гумусовых веществ связанных с глинистыми минералами и гидрооксидами Fe и Al (Трофимов, 1967; Хмелёв, 1982; Татаринцев Л.М., 1993). Снижение степени микроагрегированности в чернозёмах южных засушливой степи обусловлено разрушением микроагрегатов в результате развития процессов осолонцевания-осолодения, в средней лесостепи - в связи с развитием процессов выщелачивания-оподзоливания, приводящих как в первом, так и во втором случаях, к выносу оксидов Fe и Al, глинистого материала, участвующих в первичном микроагрегировании. Интенсивность образования водопрочных агрегатов размером 5-0,25 мм определяется также гранулометрическим составом исходных почвообразующих пород, на которых протекало формирование почв. Закономерности агрегатообразования повторяют закономерности микроагрегирования и находятся в полном соответствии с широтной зональностью почв и почвообразовательных процессов. В классах легко- и среднесуглинистых почв по мере движения от зоны сухой степи к зоне лесостепи уменьшается плотность почвы, что обусловлено уменьшением содержания песчаных частиц, ростом гумусности и агрегированности почв. По мере нарастания биоклиматического потенциала почвообразования увеличивается разница между плотностью почвообразующей породы и пахотного горизонта. Так, эта разница в почвах сухой степи равна 0,17 г/см3, в почвах средней лесостепи - 0,38 г/см3. В классе тяжелосуглинистых почв чернозёмы луговой степи, как наиболее гумусированные, высокоагрегированные и более оглиненные, характеризуются самой низкой плотностью, а чернозёмы колочной степи - самой высокой. Повышение плотности почв лесостепи по сравнению с почвами луговой степи обусловлено агрогенным уплотнением, вследствие меньшей агрегированности первых. Изменение величин плотности твёрдой фазы почвы связано с динамикой содержания гумуса, изменением соотношения гранулометрических фракций, первичных и вторичных минералов. Общая порозность является функцией изменения плотности и плотности твёрдой фазы почвы. Наиболее плотные каштановые почвы отличаются низкими значениями общей порозности. В то же время чернозёмы луговой степи и Присалаирья (самые рыхлые) имеют наибольшие значения общей порозности. Порозность аэрации изменяется в полном соответствии с изменением величин общей порозности. Величины порозности аэрации во всех почвах вне зависимости от класса находятся в пределах 20-25%. Только в чернозёмах лесостепи и луговой степи порозность аэрации увеличивается до 30%. При этом её величины при увлажнении до НВ не выходят за пределы критических значений (15% объёма почвы). Величины максимальной гигроскопической влаги (МГ) обнаруживают тесную связь с содержанием гумуса и содержанием средней и мелкой пыли (см. раздел 4.2.). Величины МГ возрастают от легкосуглинистых почв к тяжелосуглинистым с 3 до 11%. В легкосуглинистых почвах средние значения МГ лежат в интервале 4-5%, среднесуглинистых 5-9% и тяжелосуглинистых - 7,5-11%. Самые высокие величины МГ наблюдаются в чернозёмах Присалаирья, самые низкие - в каштановых почвах сухой степи. В пахотном горизонте среднесуглинистых почв по мере продвижения от зоны сухой степи к зоне чернозёмов Присалаирья величина МГ увеличивается на 4,5%, в почвообразующей породе только на 1,1%. Величины наименьшей влагоёмкости (НВ) закономерно уменьшаются от почв тяжелосуглинистого состава (30-36%) к почвам легкосуглинистого состава (18-25%) и от почв Присалаирья к почвам сухой степи. В классе легкосуглинистых почв наибольшей водоудерживающей способностью (НВ) отличаются чернозёмы колочной степи, в классах средне- и тяжелосуглинистых почв - чернозёмы Присалаирья. В классе среднесуглинистых почв разница между величинами НВ пахотного горизонта и почвообразующей породой в каштановых почвах составляет 6,5%, в чернозёмах Присалаирья - 15,5% массы почвы. Фильтрация влаги за 3-й час наблюдений в 2-3 раза ниже, чем скорость впитывания. Легкосуглинистые почвы фильтруют влагу лучше, чем среднесуглинистые, но хуже чем тяжелосуглинистые. В классе легкосуглинистых почв скорость фильтрации уменьшается от каштановых почв до чернозёмов колочной степи, что связано со снижением количества песчаных частиц. В классе среднесуглинистых почв наименьшей скоростью фильтрации характеризуются чернозёмы южные и чернозёмы выщелоченные средней лесостепи. В классе тяжелосуглинистых почв минимальную скорость фильтрации имеют чернозёмы обыкновенные колочной степи. Чернозёмы обыкновенные колочной степи независимо от класса почв по гранулометрическому составу фильтруют влагу с одинаковой скоростью. Чернозёмы луговой степи и Присалаирья тяжелосуглинистого состава фильтруют влагу в 1,9-2 раза быстрее, чем те же почвы среднесуглинистого гранулометрического состава, а чернозёмы средней лесостепи только в 1,4 раза. Более высокая фильтрация чернозёмов луговой степи и Присалаирья обусловлена высокой водопрочностью агрегатов и низкой плотностью. Скорость фильтрации нижележащих горизонтов во всех почвах (кроме чернозёмов южных) выше, чем через пахотный горизонт. Снижение скорости фильтрации в подпахотном горизонте чернозёмов южных обусловлено солонцеватостью почв. 5.3. Внутризональные особенности физического состояния агропочв В супесчаных почвах сухой степи плотность пахотного горизонта остаётся практически одинаковой и от светло-каштановых почв к лугово-каштановым почти не изменяется (табл. 7). Рост количества адсорбированной влаги обусловлен слабым ростом количества гумуса, а также средней и мелкой пыли. Рост величины НВ связан с некоторым снижением количества песка и ростом содержания крупной пыли. Повышение скорости впитывания (Кв) от светло-каштановых почв к тёмно-каштановым вызвано приближением к поверхности (кроме лугово-каштановых почв) слоёв почвы с бльшим содержанием песка. В почвах легкосуглинистого состава наблюдается рост плотности до тёмно-каштановых почв вследствие облегчения гранулометрического состава, а некоторое снижение её величины в лугово-каштановых почвах происходит по причине накопления пылеватых частиц и снижения песчаных. В исследуемом ряду почв незначительно растёт НВ и снижается Кв. Последняя величина особенно сильно уменьшается в наиболее плотных тёмно-каштановых почвах. В среднесуглинистых почвах самые низкие величины плотности, плотности твёрдой фазы, Кв отмечаются в лугово-каштановых почвах, которые более других почв обогащены пылеватыми частицами. Между чернозёмами южными и лугово-чернозёмными почвами засушливой степи различия обнаруживаются только по величине НВ и порозности аэрации. Более высокой НВ обладают лугово-чернозёмные почвы, что приводит к снижению порозности аэрации. В среднесуглинистых почвах более высокая плотность пахотного слоя характерна для чернозёмов южных, что обусловлено их меньшей влажностью. В среднесуглинистых почвах колочной степи плотность пахотного горизонта лежит в границах оптимума (1,0-1,3 г/см3). При этом более плотный пахотный горизонт (как, впрочем, и весь профиль) имеют чернозёмы обыкновенные. Это объясняется их местоположением на инсолируемых склонах, бльшей иссушенностью по сравнению с другими почвами подзоны, бльшим количеством крупной пыли и карбонатов. Лугово-чернозёмные почвы, занимающие транзитные позиции ландшафта, имеют меньшие величины МГ и более высокие величины НВ. Пахотный горизонт чернозёмов выщелоченных среднесуглинистых луговой степи плотнее, чем чернозёмов обыкновенных. Повышение плотности связано с техногенным уплотнением более влажного, чем в чернозёмах обыкновенных горизонта. Все остальные горизонты чернозёмов выщелоченных менее плотные по сравнению с чернозёмами обыкновенными. Меньшая плотность чернозёмов выщелоченных в нижних горизонтах определяет в них повышение скорости впитывания почти в 2 раза. Среди тяжелосуглинистых почв наиболее плотными являются чернозёмы обыкновенные. Для них характерны меньшие величины всех физических и водно-физических свойств. Меньшие значения обусловлены снижением количества крупной пыли, ила и гумуса, которые определяют агрегированность и водопрочность агрегатов. Таблица 7 Физические свойства пахотного горизонта агропочв Почвы Плот-ть почвы Плот-ть твёрдой фазы Порозность, % объёма МГ НВ Кв, мм/мин г/см3 общая аэрации % массы Супесчаные Сухая степь Светло-каштановые 1,51 2,62 42,4 24,4 2,4 12,7 1,15 Каштановые 1,49 2,62 43,1 23,5 2,5 13,8 1,82 Тёмно-каштановые 1,50 2,62 43,0 23,8 2,9 13,8 2,22 угово-каштановые 1,48 2,62 43,5 23,5 2,7 14,4 1,87 егкосуглинистые Светло-каштановые 1,40 2,58 45,7 24,2 4,0 16,7 2,12 Каштановые 1,45 2,58 43,8 18,5 3,7 18,8 1,73 Тёмно-каштановые 1,53 2,58 41,8 18,0 3,6 19,3 1,00 угово-каштановые 1,48 2,58 42,6 18,0 3,4 18,0 1,65 Среднесуглинистые Каштановые 1,32 2,61 49,4 20,2 4,9 24,1 1,51 Тёмно-каштановые 1,31 2,60 49,6 19,7 5,1 24,3 1,51 угово-каштановые 1,29 2,58 50,0 21,3 5,1 23,0 1,05 егкосуглинистые Засушливая степь Чернозёмы южные 1,29 2,56 50,2 28,4 4,7 18,6 Ц угово-чернозёмные 1,29 2,55 49,4 22,2 4,9 22,7 1,58 Среднесуглинистые Чернозёмы южные 1,23 3,58 52,3 23,9 6,4 25,4 1,56 угово-чернозёмные 1,21 3,59 53,3 23,9 6,5 26,4 1,41 Среднесуглинистые Колочная степь Чернозёмы обыкновенные 1,20 2,52 52,4 21,3 6,2 27,9 1,58 Чернозёмы выщелоченные 1,11 2,49 55,4 24,2 6,4 30,3 1,61 угово-чернозёмные 1,12 2,47 54,7 24,2 6,1 29,2 1,30 Среднесуглинистые уговая степь Чернозёмы обыкновенные 1,12 2,57 56,4 25,4 9,1 31,0 1,46 Чернозёмы выщелоченные 1,16 2,55 54,5 20,4 9,1 32,5 2,71 Тяжелосуглинистые Чернозёмы обыкновенные 1,20 2,58 53,5 20,7 9,0 30,7 2,17 Чернозёмы выщелоченные 1,03 2,58 60,1 27,0 10,0 36,2 4,0 Среднесуглинистые Средняя лесостепь Чернозёмы выщелоченные 1,10 2,52 58,6 23,7 7,0 31,8 0,90 Чернозёмы оподзоленные 1,09 2,54 58,0 27,1 8,0 33,1 1,00 Тяжелосуглинистые Чернозёмы выщелоченные 1,06 2,50 55,7 23,1 9,6 35,9 1,17 Чернозёмы оподзоленные 1,02 2,51 54,8 18,9 10,1 37,7 2,00 Среднесуглинистые Присалаирье Серые лесные 1,21 2,56 52,7 21,9 6,0 27,5 0,79 Чернозёмы оподзоленные 1,04 2,52 58,7 25,7 10,3 36,3 1,83 Чернозёмы выщелоченные 1,09 2,60 58,1 26,4 6,8 31,4 0,58 Чернозёмы оподзоленные средней лесостепи средне- и тяжелосуглинистого состава имеют бльшие величины МГ и НВ. Повышенное содержание адсорбированной влаги и более высокое содержание подвешенной влаги (НВ) обусловлено более высоким содержанием физической глины. Судя по величине коэффициента впитывания (Кв), чернозёмы выщелоченные тяжелосуглинистые сильнее подвержены смыву, поскольку скорость впитывания в 1,7 раза ниже, чем в чернозёмах оподзоленных. В Присалаирьи самыми лучшими физическими свойствами отличаются чернозёмы оподзоленные, для которых характерны низкая плотность, высокие величины МГ, НВ и Кв, общей порозности. Серые лесные почвы имеют менее благоприятное физическое состояние, которое является результатом почвообразовательного процесса и дифференциации почвенного профиля. 5.4. Сравнительная характеристика физического состояния Сравнительная оценка физических и водно-физических свойств в зависимости от разновидности проведена по среднеарифметическим величинам и эмпирическим кривым распределения величин. Результаты сопоставления представлены в таблице 8. Таблица 8 Физические и водно-физические свойства агропочв в зависимости Почвы Разно-видность Плот-ть почвы Плот-ть твёрдой фазы Порозность общая, % объёма МГ НВ Кв, мм/мин г/см3 % массы Сухая степь Каштановые легкосуглинистые Ил.-песч. 1,50 2,58 41,9 3,5 16,9 1,70 Кп.-песч. 1,40 2,60 46,2 3,8 19,1 1,62 Засушливая степь Чернозёмы южные среднесуглинистые Кп.-песч. 1,23 2,59 52,5 6,2 25,7 1,48 Песч.-кп. 1,20 2,56 53,1 6,6 27,9 1,60 Колочная степь Чернозёмы обыкновенные среднесуглинистые Кп.-песч. 1,13 2,54 55,5 5,6 27,9 1,19 Песч.-кп. 1,16 2,53 54,1 6,3 29,0 1,66 Ил.-кп. 1,25 2,56 51,2 6,1 26,8 1,26 уговая степь Чернозёмы обыкновенные тяжелосуглинистые Ил.-кп. 1,30 2,56 49,2 8,9 32,9 2,31 Кп.-ил. 1,17 2,53 53,8 8,6 31,2 2,36 Ил.-пыл. 1,17 2,62 55,3 10,0 28,2 2,22 Средняя лесостепь Чернозёмы выщелоченные среднесуглинистые Песч.-кп. 1,15 2,48 53,6 7,1 32,3 0,62 Песч.-пыл. 1,11 2,45 54,7 7,5 31,8 0,73 Ил.-кп. 1,20 2,63 54,4 8,0 39,1 1,09 Присалаирье Чернозёмы оподзоленные среднесуглинистые Песч.-пыл. 0,98 2,51 61,0 6,2 36,0 1,62 Ил.-пыл. 1,05 2,52 58,3 10,1 36,4 1,86 В таблице разновидности расположены в порядке уменьшения средневзвешенного эффективного диаметра частиц, то есть верхняя разновидность более грубодисперсная по сравнению с нижней. Анализ данных показывает, что в почвах сухой и засушливой степей, по мере движения от грубодисперсной почвы к тонкодисперсной уменьшается плотность пахотного горизонта, увеличивается плотность твёрдой фазы почвы, общая порозность, МГ и НВ. В чернозёмах луговой степи кроме плотности почвы ещё уменьшается НВ, а растут общая порозность и МГ. В тоже время разновидности почв в каждой зоне обладают одинаковой скоростью впитывания. В чернозёмах колочной степи, средней и северной лесостепи Присалаирья по мере нарастания дисперсности почв, растут плотность, плотность твёрдой фазы почвы и величина МГ. В почвах лесостепи кроме названных величин также повышаются величины НВ и Кв. Исключением являются чернозёмы обыкновенные колочной степи, в которых максимальные значения НВ и Кв характерны для песчано-крупнопылеватых почв. Рост плотности в иловато-крупнопылеватых чернозёмах колочной степи, сформировавшихся на инсолируемых склонах, обусловлен, очевидно, бльшим иссушением чернозёмов этой разновидности, а следовательно, имеющих бльшую усадку и уплотнение. Увеличение плотности высокодисперсных чернозёмов лесостепной зоны вызвано их меньшей устойчивостью к воздействию сельскохозяйственной техники. Не исключено, что иловато-крупнопылеватые чернозёмы имеют худшие условия агрегирования (см. раздел 5.2.). 5.5. Моделирование мелиоративного состояния агропочв по данным гранулометрического состава Оценка влияния содержания гранулометрических фракций на некоторые параметры мелиоративного состояния почв проведена с помощью информационно-логического анализа (Пузаченко и др., 1969, 1970), который основан на теории информации. Этот метод, как и корреляционный, изучает зависимость явлений от факторов. Однако информационно-логический метод более универсален, так как не требует линейности, метричности и позволяет делать логические высказывания, которые можно использовать для прогнозов. Одним из главных преимуществ информационно-логического метода является расчёт количества информации, передаваемой каждым фактором явлению, определение логической функции связи факторов и явления и построения на этой основе логических моделей состояния параметров. Степень связи между изучаемыми явлениями и каким-либо фактором (или факторами) определяется величиной общей информативности (Т) и коэффициентом эффективности каналов связи (К). Например, при изучении взаимосвязей между удельным сопротивлением и почвенными свойствами определены коэффициенты Т и К, которые представлены в таблице 9. Таблица 9 Информативность (Т) и эффективность канала связи (К) № п/п Почвенные факторы Т, бит К 1. Содержание глыб крупнее 10 мм, % 1,0222 0,6716 2. Содержание частиц 0,05-0,01 мм, % 0,7894 0,4386 3. Структура гранулометрического состава 0,9288 0,3920 4. Содержание частиц 1-0,05 мм, % 0,8725 0,3735 5. Содержание частиц менее 0,01 мм, % 1,0925 0,3479 6. Содержание частиц мельче 0,001 мм, % 0,6252 0,2804 7. Влажность почвы, % 0,3064 0,1536 Сравнение коэффициентов К показывает, что на величину удельного сопротивления самое высокое влияние оказывает глыбистость почвы. Далее факторы располагаются в порядке убывания их влияния на удельное сопротивление. Самое слабое влияние на величину удельного сопротивления оказывает влажность почвы. Таким же образом, определены общая информативность и коэффициент эффективности передачи информации от изучаемых факторов к физическим свойствам. На основе изучения таких взаимосвязей составлены логические функции нелинейного произведения: УС=СА x (КП x С x (П x ФГ x (И x В))) (1) УП=С x (Г x Мп x (И x ФГ)) (2) А=С x (ФГ x Г x (Мп x И x УП)) (3) =C x В x (Г x (А x ФГ)) (4) s=С x (Г x П x (ФГ x И)) (5) МГ=УП x С x (ФГ x Мп x (Г x И)) (6) КВ=В x x (А x Ма x (ФГ x Кп)) (7) где УС - удельное сопротивление; УП - удельная поверхность; А - содержание водопрочных агрегатов размером 5-0,25 мм; - плотность почвы; s - плотность твёрдой фазы почвы; МГ - максимальная гигроскопическая влага; КВ - коэффициент впитывания; СА - содержание глыб >10 мм; С - структура гранулометрического состава; Г - содержание гумуса; ФГ - содержание физической глины; Мп - содержание мелкой пыли; И - содержание илистой фракции; В - влажность полевая; П - содержание фракций песка (1-0,05 мм); Кп - содержание крупной пыли; Ма - содержание истинных микроагрегатов размером 0,25-0,01 мм; x - знак нелинейного произведения. Все логические функции сделаны для почв среднесуглинистого гранулометрического состава. Судя по формуле (2), на величину удельной поверхности самое высокое влияние оказывает структура гранулометрического состава (разновидность почвы). Меньше влияет на этот показатель содержание гумуса. Из формул 3-5 следует, что количество водопрочных агрегатов размером 5-0,25 мм, плотность почвы, плотность твёрдой фазы почвы в очень высокой степени зависят от структуры гранулометрического состава. Максимальная гигроскопическая влажность тесно связана с величиной удельной поверхности и соотношением фракций ЭПЧ. Полевая влажность почвы - главный фактор, от которого зависит коэффициент впитывания. Влажность почвы оказывается вторым по значению фактором, после структуры гранулометрического состава, влияющим на величину плотности почвы. Используя информационный анализ, выявлено влияние гранулометрических фракций на показатели солесодержания в почвах. В результате изучения взаимосвязей определены коэффициенты информативности и эффективности канала связи (К). Сравнение коэффициентов информативности и эффективности канала связи позволило заключить, что влияние фракций гранулометрического состава на накопление солей увеличивается от класса супесчаных почв к классу среднесуглинистых. В супесчаных почвах на накопление солей самое высокое влияние оказывает содержание песка (0,25-0,05 мм). В легко- и среднесуглинистых каштановых почвах сухой степи ведущую роль в соленакоплении играет содержание физической глины (частицы мельче 0,01 мм). На основе информационного анализа выведены логические формулы для среднесуглинистых почв сухой степи: S=ФГ x Кп x (Сп x П x (Мп x И)) (8) СО32Ц=Кп x П x (Мп x Сп x (ФГ x И)) (9) SO42Ц=ФГ x Кп x (П x Сп x (Мп x И)) (10) ClЦ=Кп x ФГ x (Сп x П x (Мп x И)) (11) Са2+=Кп x П x (Фг x Сп x (Мп x И)) (12) Mg2+=Кп x Сп x (Мп x Фг x (П x И)) (13) Na+=Кп x П x (Сп x Мп x (ФГ x И)) (14) где S - сумма солей; SO42Ц - содержание сульфат-иона; СО32Ц - содержание карбонат-иона; ClЦ - содержание хлор-иона; Са2+ - содержание кальций-иона; Mg2+ - содержание магний-иона; Na+ - содержание натрий-иона; П - содержание частиц 0,25-0,05 мм; Кп - содержание частиц 0,05-0,01 мм; Сп - содержание частиц 0,01-0,005; Мп - содержание частиц 0,005-0,001 мм; И - содержание частиц мельче 0,001 мм; ФГ - содержание частиц мельче 0,01 мм; x - знак нелинейного произведения. В логических формулах все факторы соленакопления расположены в порядке убывания их влияния на содержание солей и ионов в водной вытяжке. Из формул 8-14 следует, что в среднесуглинистых почвах решающее влияние на содержание суммы солей и сульфат-иона оказывает физическая глина и в меньшей степени - крупная пыль. Содержание карбонат-иона, хлор-иона и катионов кальция, магния и натрия в водной вытяжке определяется количеством крупной пыли, как преобладающей фракции. Подставляя в логические формулы соответствующие значения рангов факторов-аргументов, и, проводя сложную операцию функции нелинейного произведения, можно получить ранг состояния удельного сопротивления, удельной поверхности, содержания суммы солей и других свойств мелиоративного состояния почв. Выведенные логические формулы позволяют определить ранги параметров мелиоративного состояния почв в зависимости от структуры гранулометрического состава с удовлетворительной прогнозной точностью. Безошибочный прогнозирующий эффект вышеприведённых формул составляет для разных параметров мелиоративного состояния от 56 до 71%. При сравнении коэффициентов общей информативности (Т) и эффективности канала связи (К) установлено, что гранулометрический состав в бльшей степени влияет на физические параметры мелиоративного состояния, чем на содержание солей и ионов в почве. Степень влияния гранулометрического состава возрастает по мере увеличения количества тонкодисперсных фракций ЭПЧ. Изменение соотношения гранулометрических фракций ЭПЧ влияет на степень их промытости атмосферными осадками. Грубодисперсные почвы содержат меньше солей, тонкодисперсные - больше. При наличии в профиле почв капиллярной каймы характер соленакопления начинает определяться динамикой залегания грунтовых вод и высотой их поднятия, зависящей от структуры гранулометрического состава. ВЫВОДЫ 1. Почвы низких озёрных террас Кулундинской депрессии, ложбин древнего стока и их дельт, I и II надпойменных террас Бие-Чумышской возвышенности сформировались на аллювиальных отложениях супесчаного, реже легкосуглинистого гранулометрического состава. Почвы высоких озёрных террас Кулунды, террас ложбин древнего стока Приобского плато также сформированы на аллювиальных отложениях, но существенно преобразованных процессами делювиального смыва. Породы чаще всего имеют среднесуглинистый состав. На водоразделах Приобского плато, Бие-Чумышской возвышенности и в Присалаирьи почвообразование протекало на лёссовидных средних и тяжёлых суглинках, изначально имеющих аллювиальное происхождение. Чернозёмы предгорий Алтая сформировались на элюво-делювии коренных пород, реже лёссовидных суглинках средне-, тяжелосуглинистого и глинистого состава. 2. На региональное разнообразие агропочв по гранулометрическому составу влияют гипсометрические отметки, продолжительность процессов субаэрального седиментогенеза и почвообразования, делювиальные процессы, ленточные сосновые боры. По мере движения от Кулундинской депрессии к горам Салаира и Алтая содержание песчаных частиц (1-0,05 мм) уменьшается в 7-8 раз, количество средней и мелкой пыли (0,01-0,001 мм), а также илистой фракции (<0,001 мм), напротив увеличивается в 4-5 раз. Содержание крупной пыли (0,05-0,01 мм) до среднесуглинистых почв возрастает в 4-5 раз, а затем к глинистым почвам уменьшается в 1,5-1,7 раза. 3. Зональные особенности гранулометрического состава агропочв проявляются по содержанию крупной пыли, структуре гранулометрического состава и степени дифференциации почвенного профиля по содержанию илистой фракции. 4. Независимо от класса почв по гранулометрическому составу максимальное количество крупной пыли наблюдается в чернозёмах средней и северной лесостепи. По мере движения от каштановых почв к чернозёмам средней лесостепи содержание крупной пыли в легкосуглинистых почвах в зависимости от генетических горизонтов увеличивается на 29-36%, в среднесуглинистых - на 25-27%. Более высокое накопление крупной пыли в легкосуглинистых почвах обусловлено их расположением возле ленточных боров и боровых террас правобережной лесостепной части Алтайского Приобья. На этих территориях вследствие снижения скорости ветра и выпадения конвективных атмосферных осадков усиливается субаэральный седиментогенез крупной пыли. Среднесуглинистые почвы, приуроченные к водоразделам увалов Приобского плато и возвышенным террасам Бие-Чумышского плато, получают меньше крупной пыли. В Присалаирьи и предгорьях Алтая скорость движения воздушных масс становится ещё меньше, что приводит к осаждению из атмосферы средней и мелкой пыли и их накоплению в почвах этих зон. 5. Иловато-крупнопылевато-песчаные разновидности распространены среди каштановых почв, чернозёмов южных легко- и среднесуглинистого состава и чернозёмов колочной степи легкосуглинистого состава. Иловато-песчано-крупнопылеватые разновидности чаще встречаются в чернозёмах луговой степи, лесостепи и Присалаирья среднесуглинистого и чернозёмах средней лесостепи легкосуглинистого состава. тяжелосуглинистые почвы всех зон имеют песчано-иловато-крупнопылеватый гранулометрический состав. Несмотря на принадлежность к одной разновидности зональные почвы легко- и среднесуглинистого классов существенно (НСР05 6. Генетико-гранулометрический анализ педогенеза, проведённый по коэффициентам концентрации ила показал, что степень дифференциации почвенного профиля по содержанию илистой фракции возрастает от каштановых почв к чернозёмам оподзоленным Присалаирья. степень проявления миграционных процессов илистой фракции растёт по мере движения от луговой степи к засушливой степи и северной лесостепи Присалаирья. В чернозёмах южных засушливой степи потери ила обусловлены развитием процессов осолодения-осолонцевания, а в Присалаирьи они связаны с развитием процессов оподзоливания-выщелачивания. Степень аккумуляции ила в иллювиальном горизонте нарастает от чернозёмов засушливой степи к чернозёмам Присалаирья. Накопление ила в чернозёмах луговой степи обусловлено выветриванием in situ. 7. Внутризональные различия гранулометрического состава агропочв проявляются по характеру профильного распределения содержания ЭПЧ, а также степени однородности (неоднородности) почв по содержанию гранулометрических фракций. В частности, тёмно-каштановые почвы имеют элювиально-иллювиальный, лугово-каштановые - аккумулятивный тип профильного распределения физической глины. Тёмно-каштановые почвы более однородны по содержанию песчаных фракций, чем каштановые. Кроме того, различие гранулометрического состава почв внутри зоны устанавливается по степени выноса (аккумуляции) илистой фракции. 8. Разновидности почв супесчаного, легко- и среднесуглинистого классов различаются по содержанию фракций песка и крупной пыли, а тяжелосуглинистого класса - по содержанию средней, мелкой пыли и ила, интенсивности элювиально-иллювиального перераспределения ила по профилю почвы. В связи с этим при выявлении степени влияния почвообразовательного процесса на вынос (накопление) илистой фракции, необходимо сравнивать почвы в рамках разновидности. Иначе получаем искажённое представление об интенсивности процесса лессиважа тонкодисперсной фракции (частиц менее 0,001 мм). 9. Опираясь на исследования, предлагаем в Классификацию почв Российской Федерации ввести ещё одну таксономическую единицу класс (может серию). Класс - это таксономическая единица, отражающая разделение почв по гранулометрическому составу (песчаные, супесчаные, легкосуглинистые и т.д.), каменистости и скелетности почвенного профиля (до почвообразующей породы). В почвах, развитых на слоистых породах, выделять 2-3-х ярусные гранулометрические классы. В системе таксономических единиц класс займёт положение между видом и разновидностью. Разновидность как таксономическую единицу выделять по структуре (формуле) гранулометрического состава. 10. Микроагрегатный состав зональных пахотных почв унаследован от почвообразующей породы. Наилучшая микроагрегированность характерна для чернозёмов колочной степи и луговой степи предгорий Алтая. В доземледельческую стадию почвообразования в каштановых почвах, в чернозёмах засушливой и луговой степи произошло увеличение количества истинных водопрочных микроагрегатов. В других зонах отмечается снижение их количества по сравнению с почвообразующей породой. Дезагрегация при распашке в наибольшей степени выражена в чернозёмах колочной степи и средней лесостепи. Эталонные условия для образования водопрочной макроструктуры создаются в чернозёмах луговой степи к югу от этой зоны (каштановые почвы) и к северу (Присалаирье) водопрочность структуры сильно уменьшается. 11. Зональные различия почв по физическому состоянию обусловлены изменением структуры гранулометрического состава и нарастанием биоклиматического потенциала почвообразования. Например, в классе среднесуглинистых почв по мере движения от сухой степи к лесостепи Присалаирья растут агрегированность, общая порозность, порозность аэрации, адсорбционная и водоудерживающая способности, количество доступной для растений влаги и уменьшается плотность. Лучшая водопроницаемость отмечается в каштановых (опесчаненых) почвах и хорошо агрегированных чернозёмах предгорий Алтая. 12. Внутризональные особенности почв по физическому состоянию связаны с изменением соотношения гранулометрических фракций. Повышение доли песчаных частиц увеличивает водопроницаемость, снижает величины МГ и НВ, а повышение доли пыли, наоборот. Рост доли ила сопровождается повышением агрегированности почв, улучшением физических свойств. 13. Физические и водно-физические свойства одноимённых разновидностей не имеют различий (НСР05>d). Почвы с разными структурами гранулометрического состава существенно различаются по всем физическим и гидрофизическим свойствам, кроме коэффициентов впитывания и фильтрации. 14. На основе изучения влияния различных гранулометрических фракций на физические свойства почв получен ряд информационно-логических моделей, по которым возможно прогнозирование наиболее вероятных состояний параметров физических свойств почв. Прогнозная точность таких моделей равна 56-71%. РЕКОМЕНДАЦИИ ПРОИЗВОДСТВУ Предлагаем при проектировании мелиоративных объектов расчёт почвенно-физических параметров мелиоративного состояния почво-грунтов проводить по данным гранулометрического состава, используя логические модели прогноза, что существенно сократит затраты средств и времени на проектирование. СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ
(тяжелосуглинистые)
от класса почв по гранулометрическому составу
выщелоченный
оподзоленный
есные почвы
Алтайского Приобья
0,25-0,01 мм, %
0,25-0,01 мм, %
0,25-0,01 мм, %
разновидностей агропочв
от разновидности (средние значения)
между удельным сопротивлением и различными факторами
С. 48-51. Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по сельскому хозяйству