Исследование изменения прочности агрегатов почв при различных сельскохозяйственных нагрузках

Вестник Томского государственного университета. 2013. № 368. С. 180-185

УДК 632.934

Е.Е. Гросс, А.А. Кокорева, С.П. Кулижский, Е.И. Николаева, Т.П. Соловьева

ИССЛЕДОВАНИЕ ИЗМЕНЕНИЯ ПРОЧНОСТИ АГРЕГАТОВ ПОЧВ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ НАГРУЗКАХ

Работа выполнена при финансовой поддержке гранта в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 гг.».

Устойчивость почв к деградационным процессам определяется тем, что изменения физического состояния являются одним из основных и наиболее распространенных видов трансформации почв и почвенного покрова. Для сравнения взяты черноземы, формирующиеся под лесополосой, посевами кукурузы и паром. Установлено, что изменяются их физико-механические свойства (механическая устойчивость агрегатов и механическая прочность почвенных паст), а также водоустойчивость. Выявлено изменение прочностных свойств почвенной структуры агрегатов размером 3-5 и 5-7 мм. На основании полученных результатов по изучению прочности и базовых физических свойств почв выполнен поиск корреляции прочностных характеристик агрегатов от соответствующих физико-химических свойств почв. Проведена сравнительная характеристика заявленных свойств почв в зависимости от нагрузки и ее вида.

Ключевые слова: черноземы; физические свойства; механическая прочность агрегатов.

Актуальность исследований. В условиях нарастающего антропогенного воздействия возникает необходимость принятия мер по охране почв и почвенного покрова для поддержания равновесия в связи с развитием деградационных процессов. Для оценки состояния почв используют, в том числе, такие почвенные показатели, как механическая прочность и водоустойчивость [1].

Сохранение оптимальной почвенной структуры является существенным для непрерывного функционирования почв и экосистем в целом. В основе влияния органического вещества на формирование структуры лежат динамические взаимодействия различных форм органического вещества. При этом важно не только его наличие, но и биологические и химические модификации [2].

При изучении физических основ водостойкости почвенных агрегатов соотносят влияние биологических продуктов на их образование с устойчивостью этих биохимических соединений к биодеградации и обработке почвы. Последний вопрос важен для прогнозирования долговременного благоприятного эффекта от применения таких методов обработки, которые способствуют формированию водостойких агрегатов.

Взаимодействия элементарных почвенных частиц с биологическими продуктами, способствующими их скреплению, относятся к двум уровням. Органика может служить «клеем», который цементирует минеральный каркас, а микробная биомасса, особенно грибной мицелий, может рассматриваться как ячеистая структура, в которой частицы почвы улавливаются и формируют зернистую структуру.

Главной проблемой является сохранение и улучшение структуры при помощи сельскохозяйственных методов, которые препятствуют наблюдаемому в настоящее время уменьшению запасов органического вещества почвы.

Методы исследования. Определение прочности почвенных паст проводили методом измерения глубины погружения металлического конуса с углом раскрытия 30° в почвенную пасту за 5 с при заданных влажности и нагрузке (0,15 кг) на ручном пенетрометре [3].

Механическая прочность почвенных агрегатов измерялась с помощью метода П.А. Ребиндера,

разработанного для конического пластометра, для исследования механических свойств пластично-вязких дисперсных систем, к которым относится и почва [4].

Агрегатный состав почвы определялся двумя основными методами просеивания на ситах: воздушное сухой почвы и мокрое просеивание в стоячей воде. Поскольку одним из недостатков классической процедуры ситового анализа является отсутствие стандартизации физического воздействия на образец [4], были использованы электрические вибрационные установки (Виброгрохот AS200 control), которые позволяют стандартизировать условия просеивания и минимизировать вклад личности исследователя на результаты анализа.

Определение гранулометрического состава почв проводилось на лазерном дифракционном анализаторе размера частиц «Analysette 22 comfort». Предварительно образцы почв были подвергнуты диспергации с применением пирофосфата натрия и последующим механическим воздействием (интенсивное растирание почвенной пасты, применение ультразвука). Полученные данные гранулометрического состава представлены в виде таблиц, а также дифференциальной и интегральной кривых [5]. Специфичность определения данного параметра почв отмечалась и другими авторами [6].

Для определения водоустойчивости по Андрианову были взяты агрегаты размера 3-5 и 5-7 мм в естественном состоянии после определения агрегатного состава по Саввинову. При использовании данного метода общий период наблюдений составил 10 мин. При последнем отсчете, т.е. в десятую минуту наблюдения, учитывалось количество полностью распавшихся и полурас-павшихся агрегатов.

На основе полученных результатов сухого и мокрого просеивания рассчитывались следующие показатели: содержание агрономически ценных агрегатов, %; коэффициент структурности, Кстр,; суммарное количество агрегатов > 0,25 мм при мокром просеивании, %; агрономически ценная структура (по Долгову и Бахтину); критерий водопрочности агрегатов - критерий АФИ.

Общее содержание органического вещества измерялось на газовом анализаторе методом сухого сжигания в потоке кислорода. Для этого были взяты образцы,

в естественном состоянии и отмытые водой до исчезновения характерной окраски, которые затем растирались для получения фракций < 0,25 мм.

Объекты исследования. Исследования черноземов проводились на территории опытной станции на гра-

нице Воронежской и Курской областей. В дальнейшем объекты будем именовать: под лесом (разрез 1), под паром (разрез 2), под кукурузой (разрез 3); схемы расположения и наборы почвенных горизонтов в разрезах представлены на рис. 1.

Рис. 1. Объекты исследования: А - схема расположения почвенных разрезов (1-3); Б - набор и мощность почвенных горизонтов, см

Разрез 1 находится в лесной полосе 60-летнего возраста. Лесообразующие породы: дуб, ясень, клен, в подросте - клен: чернозем слабовыщелоченный, сред-негумусный, среднемощный, среднесуглинистый на карбонатном лессовидном суглинке (верхний горизонт сильно трансформирован под влиянием древесной растительности). Гумусовый горизонт темно-серый, среднесуглинистый, мелкоореховатый, ниже структура укрупняется, сверху слабо уплотнен, ниже уплотнен.

Разрез 2 заложен на поле, находящемся под паром после весеннего боронования (защитная полоса между монокультурой и полем севооборота шириной 12 м): чернозем выщелоченный, среднегумусный, среднемощный, среднесуглинистый, на лессовидном карбонатном суглинке. Пахотный горизонт темно-серый, среднесуглинистый, в верхней части пылевато-зернисто-комковатый, в нижней - призмовиднокомковатый с хорошо выраженными границами и ребрами структурных отдельностей. Нижележащий гумусовый горизонт темно-серый с хорошо выраженным буроватым оттенком, среднесуглинистый, зернистокомковатый со слабо выраженной зернистой фракцией; менее уплотнен, чем вышележащий горизонт.

Разрез 3 заложен на посевах монокультурой кукурузы: чернозем выщелоченный, среднегумусный, среднемощный, среднесуглинистый на лессовидном карбонатном суглинке. Верхний пахотный горизонт темносерый, среднесуглинистый, в верхней половине - глыбисто-комковатый, в нижней - крупно-комковатый. Сверху рыхлый, в глыбах уплотнен, в нижней части уплотнен. Нижележащий гумусовый горизонт темносерый с буроватым оттенком, среднесуглинистый, комковато-зернистый.

При морфологическом описании почвенных профилей отмечается отличие структуры пахотных горизонтов. Если под лесом структура от классической для черноземов зернисто-комковатой трансформировалась в мелкоореховатую, то в пахотных почвах и под паром структура комковатая, но с признаками глыбистости;

кроме того, отмечается уплотнение верхних горизонтов почв под паром и кукурузой по сравнению с разрезом под лесом.

Результаты исследования. Исходя из результатов исследования агрегатного состава, которые представлены на профильных диаграммах распределения агрегатного состава (рис. 2), следует, что у почв под кукурузой и паром значительное преобладание крупных фракций, в отличие от чернозема под лесополосой.

Для дальнейшей оценки значимости агрегатного состава были рассчитаны следующие коэффициенты, представленные в табл. 1. Структура почв характеризуется как хорошая по содержанию агрономически ценных агрегатов и коэффициенту структурности, формирующихся под кукурузой и лесополосой. И только у чернозема под паром структура характеризуется как удовлетворительная для глубин 10-20 и 50-60 см.

Из табл. 1 следует, что водоустойчивость всех объектов по классификации Н.А. Качинского характеризуется как удовлетворительная и недостаточно удовлетворительная. По полученным результатам черноземы под кукурузой и паром относятся к группе неводоустойчивых почв, а под лесом - к водоустойчивым.

Для оценки значимости агрегатного состава черноземов использовался критерий агрономически ценной структуры (по Долгову и Бахтину), по которому они для глубин 0-40 см под кукурузой и паром относятся к группе почв с плохой структурой, а под лесополосой -к неудовлетворительной.

По критерию АФИ водопрочность почв под кукурузой относится к удовлетворительной, а под паром различается по всем глубинам от неудовлетворительной до хорошей. Водопрочность же чернозема под лесополосой в верхних глубинах относится к хорошей.

По данным гранулометрического состава все три почвы практически не отличаются. Этот факт объясняется тем, что формируются они на одной материнской породе - лессовидном карбонатном суглинке.

Рис. 2. Профильные диаграммы почв

Т а б л и ц а 1

Оценочные градации состояния почв по агрегатному составу

Объект Горизонт Глубина, см АЦА Кстр > 0,25 мм (мокрое просеивание) АЦС (по Долгову и Бахтину) АФИ

Кукуруза Апах1 0-10 78,1 хорошее 3,6 хорошее 19,2 неудовл-ное 78,1/19,2 плохое 51,4 удовл-ное

Апах1 10-20 67,5 хорошее 2,1 хорошее 18,6 неудовл-ное 67,5/18,6 плохое 111,8 хорошее

Апах2 30-40 84,1 хорошее 5,3 хорошее 19,0 неудовл-ное 84,1/19,0 плохое 92,0 удовл-ное

АВ 50-60 87,6 хорошее 7,1 хорошее 15,0 неудовл-ное 87,6/15,0 плохое 62,9 удовл-ное

Пар Апах1 0-10 83,6 хорошее 5,1 хорошее 14,2 неудовл-ное 83,6/14,2 плохое 49,1 неудовл-ное

Апах1 10-20 54 удовл-ное 1,2 удовл-ное 14,0 неудовл-ное 54,0/14, плохая 202,9 хорошее

Апах/пер 30-40 81,9 хорошее 4,5 хорошее 13,6 неудовл-ное 81,9/13,6 плохая 76,9 удовл-ное

АВ 50-60 81,5 хорошее 4,4 удовл-ное 15,4 неудовл-ное 81,5/15,4 плохое 110,4 хорошее

Лесополоса А 0-10 94,8 хорошее 18,2 хорошее 39,2 удовл-ное 94,8/39,2 неудовл-ное 182,9 хорошее

А 10-20 90,4 хорошее 9,4 хорошее 24,8 недостаточно удовл-ное 90,4/24,8 неудовл-ное 185,4 хорошее

АВ 30-40 92,2 хорошее 11,8 хорошее 20,4 недостаточно удовл-ное 92,2/20,4 неудовл-ное 110,2 хорошее

АВ 50-60 86,0 хорошее 6,1 хорошее 19,4 недостаточно удовл-ное 86,0/19,4 плохое 87,3 удовл-ное

Примечание. АЦА - агрономически ценные агрегаты; Кстр - коэффициент структурности; АЦС - агрономически ценная структура.

Количественную характеристику межчастичных взаимодействий при различных границах Аттерберга можно получить, измеряя способность почвенной пасты оказывать сопротивление расклиниванию металли-

ческого конуса. Зависимости сопротивления расклиниванию от влажности исследуемых объектов представлены на рис. 3, где фиксируется с уменьшением влажности закономерное его увеличение.

Рис. 3. Графическое отражение зависимости сопротивления расклиниванию от влажности

Здесь же отмечается то, что прочность почвенных образцов под лесом уменьшается с глубиной, а под кукурузой и паром наблюдается обратная зависимость. Это объясняется тем, что в почве под лесом присутствует значительно больше органического вещества, которое выполняет функцию клея, в том числе и в межчастичных взаимодействиях.

Аппроксимация зависимости сопротивления расклиниванию от влажности проводилась в пакете БТЛТКТЮЛ, позволяющем находить не только коэффициенты (параметры аппроксимации), но и осуществлять их оценку по достоверности, и для этого было использовано уравнение

Рш = (Ш / Ь^-Ьг, где Рш - сопротивление расклиниванию, кг/см2; Ш -влажность почвенной пасты, %; Ь1, Ь2 - параметры аппроксимации.

Указанная зависимость оказалась наилучшей в сравнении с другими нелинейными убывающими функциями: для одного и того же массива данных параметры аппроксимации этой функцией были достоверны и отсутствовали систематические ошибки. Кроме того, параметры Ь1 и Ь2 имеют физический смысл: чем больше величина Ь1, тем выше лежит график в плоскости, т.е. расклинивание больше при одной и той же влажности.

Этот параметр можно назвать «устойчивостью» к механическим воздействиям. Параметр Ь2: чем он больше по абсолютному значению, тем круче и ниже кривая зависимости сопротивления расклиниванию от влажности, и этот параметр можно назвать «подверженностью» агрегатов к механическим воздействиям.

С учетом параметров аппроксимации и их статистических критериев (в частности, средние квадратические ошибки, БЬ) было проведено по полученным параметрам сравнение исследованных объектов, а для параметров аппроксимации (Ьп- и Ьп) разных выборок рассчитан ¿-критерий по следующей формуле:

Г = | Ьп - Ьп~\ / V (Бьп)2 + (Бьп-)2, где БЬп- и БЬп* - стандартные отклонения параметров Ьп-и Ьп-.

Соответственно, при значении Ь-критерия выше табличного для данной степени свободы и уровня значимости (а = 0,05) параметры двух выборок значимо отличаются друг от друга, при этом можно утверждать о достоверности различий получаемых экспериментальных характеристик (табл. 2).

Одним из важнейших составляющих механической устойчивости является сопротивление расклиниванию, данные по которому в виде механической устойчивости агрегатов представлены в табл. 3

Т а б л и ц а 2

Параметры аппроксимации зависимости сопротивления расклиниванию почвенной пасты Ь\ и Ьг с указанием достоверности различий параметров

Глубина отбора образцов, см Параметры аппроксимации и оценки Кукуруза Пар Лесополоса

Значения параметра р-іеуеі

0-10 ы 26,0455* 0,0005 25,2150* 0,0003 39,9580* 0,0000

10-20 Ь\ 27,8341* 0,0005 28,3737* 0,0003 32,9531* 0,0000

30-40 Ь\ 32,5204* 0,0011 32,6774* 0,0001 30,9419* 0,0006

0-10 ь> 8,7621* 0,0109 8,6788* 0,0109 13,6535* 0,0013

10-20 ь> 10,2829* 0,0227 9,2674* 0,0120 10,5512* 0,0021

30-40 ¿2 11,1729* 0,0479 12,1578* 0,0056 8,3025* 0,0209

* Параметры достоверно отличаются от нуля.

Механическая устойчивость агрегатов

Рт, кг/см2 Кукуруза

Глубина, см 3-5 мм Ш, % 5-7 мм Ш, %

0-10 0,402 3,25 0,196 3,31

10-20 0,303 3,27 0,281 3,21

30-40 0,347 3,25 0,147 4,67

50-60 0,385 3,79 0,262 3,98

Пар

Рт, кг/см2 Глубина, см 3-5мм Ш, % 5-7 мм Ш, %

0-10 0,215 3,33 0,144 3,16

10-20. 0,283 3,03 0,275 3,30

30-40 0,292 2,15 0,152 2,92

50-60 0,418 2,37 0,193 2,96

Лесополоса

Рт, кг/см2 Глубина, см 3-5мм Ш, % 5-7 мм Ш, %

0-10 0,781 3,99 0,450 3,94

10-20 0,495 3,62 0,438 4,02

30-40 0,380 3,43 0,186 3,54

50-60 0,490 3,38 0,271 3,13

На основе полученных данных установлено, что более высокой механической устойчивостью агрегатов обладает почва под лесополосой (0,4-0,8 кг/см2), средней механической устойчивостью - под кукурузой (0,3-0,4 кг/см2), а наиболее низкой - под паром (0,2-0,3 кг/см2). Если рассматривать механическую устойчивость для агрегатов разного размера, то агрегаты диаметром меньше 3-5 мм отличаются более высоким показателем по сравнению с агрегатами большего размера - 5-7 мм.

Значительное изменение структурного состояния водоустойчивости агрегатов прослеживается при сравнении черноземов выщелоченных, находящихся под

лесом по сравнению с почвами, использующимися в сельском хозяйстве - под монокультурой кукурузы. Для одних и тех же объектов, но для агрегатов меньшего размера интегральная зависимость количества распавшихся агрегатов лежит ниже, т.е. агрегаты размером 3-5 мм имеют большую водоустойчивость, чем агрегаты 5-7 мм. Если же рассмотреть эту зависимость для разных объектов, то наименьшей водоустойчивостью обладают агрегаты, находящиеся под монокультурой кукурузы, чуть выше - под паром, и наиболее высокой водоустойчивостью обладают агрегаты, находящиеся под лесополосой (рис. 4).

и

а

-

я

и

8

Е

в

я

с

о

я

а

о

в

60

50

40

30

20

_ —мм—

7

-*— "кукуруза" 3-5мм

-— "пар" 3-5мм

- "лес" 3-5мм

10

20

30

40

50

60

70

Время, мин

Рис. 4. Водоустойчивость для агрегатов размером 3-5 мм для разных объектов

По интегральным кривым водоустойчивости были рассчитаны параметры: п1 отражает суммарное количество распавшихся агрегатов во времени, а п2 - скорость распада. Наивысшая водоустойчивость по параметру п1 наблюдается у черноземов под лесополосой, где распадается от 19 до 34 агрегатов, под паром - 4349 агрегатов, под кукурузой - 48-49 агрегатов. Соответственно, п2 под лесополосой - 0,2-0,5, под паром -1,5-3,8, а под кукурузой - 33-40.

Такое распределение значений механической прочности и водоустойчивости можно описать с позиций количественного содержания органического вещества как основного материала, склеивающего почвенные частицы. Общее его содержание в черноземах выщелоченных различно и колеблется, закономерно уменьшаясь вниз по профилю. Наибольшие величины отмечаются под лесополосой и достигают 4%, а под кукурузой и паром сравнительно одинаковые значения, кото-

рые варьируют около 3%. Повышенные значения Сорг под лесополосой объясняются значительным количеством поступающего растительного опада в почву, что способствует более интенсивному возврату органики в почву и усилению биологического круговорота.

По фундаментальным физическим характеристикам (твердая фаза, гранулометрический и агрегатный состав) исследуемые почвы отличаются друг от друга не существенно. Однако более высокой механической устойчивостью агрегатов обладают черноземы также под лесополосой, средней - под кукурузой и наименее низкой - под паром, что вызвано воздействием тяжелой техники и ежегодной сельскохозяйственной обработки, приводящей к ослаблению прочностных характеристик почвы. Кроме

того, агрегаты под лесополосой отличаются наибольшей водоустойчивостью, а к менее устойчивым можно отнести почвенные агрегаты под паром и еще ниже - под кукурузой. Для всех почв агрегаты меньшего размера 35 мм отличаются более высокой механической устойчивостью по сравнению с агрегатами большего размера 57 мм. Высокой механической прочностью почвенной пасты обладает чернозем под паром, далее по убыванию -под лесополосой, и наименьшей обладают почвы под кукурузой. На основе полученных данных следует, что все почвы, испытывающие различную сельскохозяйственную нагрузку, соответствующим образом реагируют на внешнее воздействие, проявляющееся в изменении физических параметров.

ЛИТЕРАТУРА

1. Сергеев ЕМ. Грунтоведение. М. : Изд-во МГУ, 1973. 429 с.

2. Тейт Р.Ш. Органическое вещество почвы: Биологические и экологические аспекты : пер. с англ. М. : Мир, 1991. 400 с.

3. Вадюнина А.Ф., Корчагина ЗА. Методы исследования физических свойств почв и грунтов. М. : Агропромиздат, 1973. 416 с.

4. Теории и методы физики почв / под ред. Е.В. Шеина, Л.О. Карпачевского. М. : Гриф и К, 2007. 616 с.

5. Шеин Е.В. Курс физики почв. М. : Изд-во МГУ, 2005. 432 с.

6. Кулижский СП, Коронатова Н.Г., Артымук С.Ю. и др. Сравнение методов седиментометрии и лазерной дифрактометрии при определении

гранулометрического состава почв естественных и техногенных ландшафтов // Вестник Томского государственного университета. Биология. 2010. № 4. С. 21-32.

Статья представлена научной редакцией «Биология» 24 ноября 2012 г.