Использование регрессионного анализа для определения содержания водорастворимых солей в почвах по результатам водной вытяжки

Научный журнал Российского НИИ проблем мелиорации, № 2(10), 2013 г., [118-129] УДК 631.41./43: 631.47

А. А. Околелова, В. Н. Стяжин

Г. С. Егорова, А. С. Касьянова

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РЕГРЕССИОННОГО АНАЛИЗА ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СОДЕРЖАНИЯ ВОДОРАСТВОРИМЫХ СОЛЕЙ В ПОЧВАХ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ ВОДНОЙ ВЫТЯЖКИ

Цель работы заключалась в установлении содержания водорастворимых ионов в исследуемых почвах, выявлении индикаторов для диагностики минерализации. Объектами исследования послужили зональные (чернозем южный, лугово-каштановая и светло-каштановая) и засоленные (солонец и солончак гидроморфный) почвы Волгоградской области. В отобранных почвенных образцах был проведен анализ водной вытяжки общепринятым методом по Е. В. Аринушкиной и с авторской усовершенствованной методикой, которая включает фиксирование времени фильтрации водной вытяжки. Выявлено отличие времени фильтрации в почвах различного генезиса (в черноземе южном при первом анализе время фильтрации в 12 раз больше (264 мин), чем в солончаке (22 мин). В ходе проведения анализа отмечено, что максимальное время фильтрации водной вытяжки в почвах, наиболее обогащенных органическим веществом и наименее засоленных (сумма водорастворимых солей чернозема южного -0,55 мг-экв./100 г почвы). Время фильтрации водной вытяжки зависит от продуктивности почв и обогащенности их органическими и минеральными коллоидами. Математическая обработка результатов анализа и большой набор экспериментальных данных позволил установить обратную зависимость между временем фильтрации водной вытяжки и суммой растворимых катионов и анионов в почвах. Установленная зависимость позволяет предложить использовать экспресс-метод для определения насыщенности почв растворенными солями без анализа качественного состава почв, фиксируя только время фильтрации водной вытяжки. Применение регрессионного анализа позволило обосновать степенную функцию с высоким коэффициентом корреляции (R = 0,914), описывающую установленную зависимость. С ее помощью по времени фильтрации водной вытяжки можно определить сумму водорастворимых солей в почве без использования трудоемкого и длительного аналитического определения содержания каждого катиона и аниона, не снижая точности определения.

Ключевые слова: сумма водорастворимых солей, водная вытяжка, почвы, время фильтрации, зависимость, регрессионный анализ.

A. A. Okolelova, V. N. Styazhin

G. S. Yegorova, A. S. Kasyanova

USING REGRESSION ANALYSIS FOR THE DETERMINATION OF SOLUBLE SALTS IN SOIL BY THE RESULTS OF WATER EXTRACT

The purpose of the work consisted in determine the content of water-soluble ions in studied soils, the identification of indicators for mineralization diagnostics. The objects of the research were zonal soils of the Volgograd region (southern chernozem, meadow-chestnut and light chestnut) and saline (solonets and hydromorphic saline soil). In the selected soil samples the analysis of a water extract by the standard method according to Ye. V. Arinushkina and by the advanced technique developed by the authors which includes the fixation of time for water extract filtration was carried out. The difference between filtra-

tion times for the soils of various genesis is revealed (for southern chernozem the duration of the first filtration was 12 times longer (264 min) than for saline soils (22 min). In the analysis the maximum time of a filtration is noted for soils most enriched with organic matter and nonsaline (the sum of water-soluble salts in southern chernozem was 0.55 meq/100 g of soil). The time of water extract filtration depends on soil productivity and the content of organic and mineral colloids. Mathematical treatment of the analysis results and big set of experiment data allow to get inverse relationship between the time of water extract filtration and the sum of soluble cations and anions in soils. The obtained relationship can be used as a quick test for determine soil saturation by soluble salts fixing only the time of water extract filtration without the analysis of soil qualitative composition. Using regression analysis enables to justify a power function describing the obtained relationship with a high correlation coefficient. By the help of obtained relationship, according to the time of water extract filtration the sum of water soluble salts in soil can be determined without using labor and time consuming analytical determination of the content of every cation and anion without reducing the accuracy of definition.

Keywords: sum of water-soluble salts, water extract, soils, filtration time, relationship, regression analysis.

При исследовании почв важное значение имеет ионный состав почвенного раствора. По содержанию и характеру распределения элементов возможна оценка экологической ситуации. Количество содержащихся ионов в составе водной вытяжки дает относительное представление о ее минерализации [1].

Воднорастворимые соли в водных вытяжках и в почвенном растворе в результате ассоциации образуют малоподвижные электронейтральные ионные пары СаSO4, MgSO4, СаСО3, М^СО3 или пары, несущие положительные (СаНСОз, MgНСОз) или отрицательные (№СО“, NaSO^) заряды. При этом ионы хлора в силу своей высокой реакционной способности комплексы не образуют [1].

М. Б. Минкин с соавторами определили, что в зависимости от концентрации солей и характера засоления ионные пары образуют 15-50 % Ca и Mg, 17-60 % - анионов SO4, 1-18 % - ионов Na и НСО3. Особенно сильно связывается в ионные пары СО3, концентрация его свободных ионов составляет 9-30 %. Образование малоподвижных комплексов делает более стабильным солевой состав почв [2]. Наши исследования позволяют предположить, что выявленный химизм обусловливает различное время фильтрации водной вытяжки в почвах, отличающихся по генезису.

Объектами исследования послужили: чернозем южный Новоаннинского района; в окрестностях Волгограда (Г ородищенский район) - светлокаштановая почва (пашня и целина) и солонец (УНПЦ «Горная поляна»); в черте Волгограда - лугово-каштановые почвы различного гранулометрического состава (ботанический памятник природы «Григорова балка») и солончак в окрестностях Соленого пруда, расположенного в 3 м от транзитной автомагистрали. Отбор проб и подготовку почвы к анализу проводили согласно ГОСТ 17.4.4.02-84 [3].

По содержанию агрономически ценных агрегатов (больше 60 %) и величине коэффициента структурности (выше 1,5) структура исследованных почв отличная, водоустойчивость - хорошая (доля фракций размером более 0,25 мм находится в интервале 40-75 %). По значению критерия АФИ оценка водопрочности агрегатов исследованных почв удовлетворительная, не превышает 100 [4].

По доле физической глины светло-каштановая почва (пашня), солонец и солончак имеют тяжелосуглинистый гранулометрический состав, чернозем южный - среднесуглинистый, лугово-каштановая почва - супесчаный. Почвы остальных объектов характеризуются легкосуглинистым гранулометрическим составом [4].

В отобранных почвенных образцах был проведен анализ водной вытяжки общепринятым методом по Е. В. Аринушкиной [5] и с авторской модификацией. Нами фиксировалось время фильтрации водной вытяжки. В результате эксперимента были установлены существенные различия времени фильтрации водной вытяжки в верхних горизонтах различных типов почв (таблица 1).

Для уточнения полноты растворения ионов был поставлен модельный опыт. После проведения анализа почву с фильтра снимали, взвешивали, готовили повторную водную вытяжку, учитывая потери почвы, переносили на фильтр и проводили повторный анализ [6].

Таблица 1 - Результаты анализа водной вытяжки

Г оризонт, глубина, см Время фильтрации, мин X водорастворимых солей

мг-экв./100 г %

I II I II I II

Чернозем южный среднесуглинистый

А, 0-30 264 236 0,55 0,31 64 36

Светло-каштановая легкосуглинистая

А, 0,5-20 135 128 2,77 3,59 44 56

В1, 20-31 152 132 3,27 4,71 41 59

В2, 31-40 178 132 3,30 3,95 46 54

ВС, 40-55 181 149 2,35 3,03 44 56

С, 55-65 190 150 1,80 2,73 40 60

С, 65-74 199 152 2,16 3,02 42 58

Светло-каштановая тяжелосуглинистая

Апах, 0-20 142 138 2,54 2,26 53 47

АВпах, 20-30 148 146 1,47 1,97 43 57

В1, 30-40 150 146 2,90 2,58 53 47

С, 40-50 155 148 2,44 2,65 48 52

С, 50-60 155 152 2,58 3,12 45 55

Лугово-каштановая

Разрез 1

А, 0,5-14 156 150 1,77 1,75 50 50

В1, 14-29 162 155 2,04 1,50 58 42

В2, 29-60 169 158 2,01 2,00 50 50

ВС, 60-71 172 160 2,09 1,43 59 41

С, 71-80 175 161 2,08 2,01 51 49

Разрез 2

А, 0,2-15 151 146 2,26 2,21 51 49

В1, 15-36 159 149 2,35 3,15 43 57

ВС, 36-48 162 152 2,48 2,60 49 51

С, 48-70 165 157 2,56 2,38 52 48

Солонец среднесуглинистый

А, 0-20 77 19 30,56 23,86 56 44

Солончак среднесуглинистый

А, 0-20 22 73 37,12 27,20 58 42

Примечание - I, II - соответственно результаты первого и второго анализа водной вытяжки.

В ходе проведения анализа отмечено, что максимальное время фильтрации водной вытяжки в почвах, наиболее обогащенных органическим веществом и наименее засоленных. Можно предположить, что в почвах, содержащих незначительное количество водорастворимых солей, органические, минеральные и органо-минеральные коллоиды затрудняют процесс фильтрации и увеличивают ее срок.

Косвенно о разном содержании коллоидов свидетельствует окраска

водной вытяжки. Интенсивность окраски вытяжки снижается с увеличением количества солей. Окраска водной вытяжки чернозема южного - желтая, лугово-каштановой и светло-каштановой почв - желтоватая, солонца и солончака - прозрачная [6].

Время повторной фильтрации меньше во всех образцах. Выявлена особенность профильной дифференциации: с глубиной время фильтрации возрастает во всех исследуемых объектах как при первом, так и при повторном анализах.

В черноземе южном при первом анализе время фильтрации в 12 раз больше (264 мин), чем в солончаке (22 мин), при втором - только в 3,2 раза. Полученные данные свидетельствуют о наличии водорастворимых ионов в почве после проведения первого анализа (рисунок 1).

Тип почв

——первая фильтрация —повторная фильтрация

Рисунок 1 - Время фильтрации водной вытяжки различных типов почв

В светло-каштановой почве на целине, в солонце и солончаке в ходе первого анализа была определена большая часть ионов С1 ”, (соответствен-

но 67, 72 и 89 %), а в светло-каштановой почве на пашне доля ионов 304~ - 84 %. В лугово-каштановой почве при повторном опыте значительно возрастает концентрация сульфат-иона (84 %). При проведении повторного анализа существенно увеличивается содержание Са2+ в светлокаштановой почве на целине (68-79 %) и на пашне (63-81 %).

Анализ полученных данных показал, что при повторном определении водной вытяжки в светло-каштановой почве на пашне содержание 2+

Mg в горизонтах АВпах и В1 не выявлено, что говорит о его полном определении в ходе первого опыта. В солончаке, лугово-каштановой почве и солонце концентрация магния при повторном определении более чем вдвое превышает его содержание в первой водной вытяжке и составляет, соответственно 61, 68 и 78 %. Данная закономерность требует более глубоких исследований особенности процесса фильтрации.

В ходе анализа первой водной вытяжки для всех исследуемых типов почв была определена только часть ионов: 43-66 % НСО33, 40-89 % С1 3, 16-84 % 30^, 19-76 % Са2+, 17-100 % Mg2+.

Время фильтрации зависит от концентрации солей, как это исходит из теоретических построений С. М. Пакшиной [7]. Можно предположить, что в почвах, содержащих незначительное количество водорастворимых солей, органические, минеральные и органо-минеральные коллоиды затрудняют процесс фильтрации и увеличивают ее срок.

Время фильтрации может служить индикатором концентрации органических и минеральных ионов в почвах. Количество коллоидов находится в прямой зависимости от содержания в почве водорастворимых солей. Это позволяет по времени фильтрации судить о доле водорастворимых солей в почвах. В исследуемых почвах нами была установлена обратнопропорциональная зависимость между временем фильтрации и суммой водорастворимых солей. Скорость фильтрации уже отфильтрованной вытяжки незначительно меньше, чем первой, что подтверждает наше мнение

Научный журнал Российского НИИ проблем мелиорации, № 2(10), 2013 г., [118-129] о зависимости этого процесса от генезиса почв (рисунок 2).

Рисунок 2 - Зависимость времени фильтрации от суммы солей

Установленная зависимость позволяет предложить использовать экспресс-метод для определения насыщенности почв растворенными солями по времени фильтрации водной вытяжки.

Для определения математической зависимости нами был использован регрессионный анализ, заложенный в современные компьютерные средства обработки экспериментальных данных. Установленная зависимость была проверена в компьютерных пакетах (демоверсии СигувЕхрвН, DataFit), которые, как правило, ставят на первое место функции, имеющие наименьшее отклонение от экспериментальных данных. По полученным результатам и с учетом химизма процесса нами было отобрано несколько функций. Из них мы выбрали две, имеющие коэффициент корреляции (R), наиболее близкий к единице (рисунок 3):

1) кривая Гаусса t1(s)=210-е 0 09^ + 60, R = 0,930, 5=0,158;

2) степенная функция t2(s)=227,55-s03б, Я = 0,898, 5=0,175, где t - время фильтрации водной вытяжки, мин;

s - сумма солей, мг-экв./100 г.

мин 300

240 180

ге ш • •

120

11'

60

и0 8 16 24 32 40

£ МГ-ЖЕ./100 г

Рисунок 3 - Данные зависимости времени фильтрации от суммы солей в водной вытяжке и аппроксимирующие функции

Из представленных данных видно, что у первой функции К ближе к единице, а отклонение 5=0,158 меньше, чем у второй функции. Но кривая Гаусса достаточно близка к данным при сумме солей, не превышающей 2,77 мг-экв./100 г и не учитывает значительное снижение времени фильтрации при увеличении суммы солей в водной вытяжке.

Для увеличения достоверности мы уточнили предложенную степенную функцию и ее коэффициенты в программе Mathcad. Так как параметры регрессии входят в искомую зависимость нелинейным образом, то необходимо воспользоваться функцией genfit [8]. В качестве критериев применяли коэффициент корреляции и величину 5, характеризующую отклонение от экспериментальных данных [9], которую будем вычислять по формуле:

5 =

т

£(?(sl) - Є )2

По полученным данным нами был построен график (рисунок 4), в основе которого лежит функция со следующими параметрами (2):

ї^')=357 • ^+1)-0,57,

где ї - время фильтрации водной вытяжки, мин; s - сумма солей, мг-экв./100 г.

Рисунок 4 - Аппроксимирующая функция, наиболее близкая к экспериментальным данным

Из анализа рисунка 4 видно, что предложенная функция достаточно близка к экспериментальным данным. Коэффициент корреляции R = 0,914, а отклонение предложенной функции от экспериментальных данных 5=0,175.

Представленные результаты позволяют предположить, что обоснованная нами функция (2) лучшим образом описывает зависимость времени фильтрации от суммы солей, содержащихся в водной вытяжке почв.

Выводы.

1 Время фильтрации водной вытяжки зависит от генезиса почв.

2 В ходе анализа первой водной вытяжки для всех исследуемых типов почв была определена только часть анионов и катионов, поэтому необходимо делать повторную водную вытяжку из этого же образца почвы. Из этого следует, что по результатам первого анализа нельзя достоверно судить о содержании растворимых ионов в почве.

3 В исследуемых почвах нами была установлена обратнопропорциональная зависимость между временем фильтрации и суммой водорастворимых солей, которая позволяет количественно определить содержание водорастворимых солей в почвах, используя экспресс-метод фиксирования времени фильтрации вместо длительного и трудоемкого анализа водной вытяжки.

4 Регрессионный анализ позволил определить, что зависимость между двумя параметрами (время фильтрации и сумма водорастворимых солей в почвах) описывается степенной функцией с высоким коэффициентом корреляции (R = 0,914).

Предложения.

1 Установленная обратно-пропорциональная зависимость между временем фильтрации и суммой водорастворимых солей позволяет количественно определить содержание водорастворимых солей в почвах, используя экспресс-метод фиксирования времени фильтрации вместо длительного и трудоемкого анализа водной вытяжки.

2 По времени фильтрации водной вытяжки различных типов почв можно вычислить сумму водорастворимых солей, используя степенную функцию.

Список использованных источников

1 Вальков, В. Ф. Очерки о плодородии почв / В. Ф. Вальков, К. Ш. Казеев, С. И. Колесников. - Ростов-н/Д.: Изд. СКВНЦ ВШ, 2001. -240 с.

2 Минкин, М. Б. Актуальные вопросы химической и коллоидной хи-

мии почв / М. Б. Минкин, Н. И. Горбунов, А. П. Садименко. - Ростов н/Д: Изд. РГУ, 1982. - 277 с.

3 ГОСТ 17.4.4.02-1984. Методы отбора и подготовки проб для химического, бактериологического, гельминтологического анализа. - Введ. 1986-01-01. - М.: Изд-в стандартов, 1985. - 12 с.

4 Провинциальные особенности структурной организации почв Волгоградской области / А. А. Околелова [и др.] // Фундаментальные исследования. - 2013. - № 4. - Ч. 2. - С. 379-383.

5 Аринушкина, Е. В. Руководство по химическому анализу почв / Е. В. Аринушкина. - М.: МГУ, 1961. - 490 с.

6 Околелова, А. А. Определение содержания водорастворимых ионов в почвах степной зоны экспресс-методом / А. А. Околелова, А. С. Иванова // Материалы международной конференции с элементами научной школы «Экокультура и фитотехнологии улучшения жизни на Каспии»: сб. науч. работ. - Астрахань: Астраханский государственный институт, 2010. -С. 211-214.

7 Пакшина, С. М. Передвижение солей в почве / С. М. Пакшина. -М.: Изд-во Наука, 1980. - 120 с.

8 Ракитин, В. И. Руководства по методам вычислений и приложения Mathcad: учебное пособие / В. И. Ракитин. - М.: Изд-во ФИЗМАТЛИТ, 2005. - 264 с.

9 Околелова, А. А. Оценка продуктивности почв с помощью регрессионного анализа / А. А. Околелова, В. Н. Стяжин, А. С. Касьянова // Фундаментальные исследования. - 2012. - № 3. - Ч. 2. - С. 328-332.

Околелова Алла Ароновна - доктор биологических наук, профессор, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Волгоградский государственный технический университет» (ФГБОУ ВПО «ВГТУ»), профессор.

Контактный телефон: 8-906-45-17-147.

E-mail: allaokol@mail.ru

Okolelova Alla Aronovna - Doctor of Biological Sciences, Professor, Federal State Budget Educational Establishment of Higher Professional Education “Volgograd State Technical

University”(FSBEE HPE “VSTU”), Professor.

Contact telephone number: 8-906-45-17-147.

E-mail: allaokol@mail.ru

Стяжин Владимир Николаевич - кандидат технических наук, доцент, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Волгоградский государственный технический университет» (ФГБОУ ВПО «ВГТУ»), доцент.

Контактный телефон: 8-988-035-59-95.

E-mail: vstyazhin@yandex.ru

Styazhin Vladimir Nikolayevich - Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Federal State Budget Educational Establishment of Higher Professional Education “Volgograd State Technical University” (FSBEE HPE “VSTU”), Associate Professor.

Contact telephone number: 8-988-035-59-95.

E-mail: vstyazhin@yandex.ru

Егорова Галина Сергеевна - доктор сельскохозяйственных наук, профессор, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Волгоградский государственный аграрный университет» (ФГБОУ ВПО «ВГАУ»), декан.

Контактный телефон: 8-906-404-43-87.

E-mail: agro@volgau.com

Yegorova Galina Sergeyevna - Doctor of Agricultural Sciences, Professor, Federal State Budget Educational Establishment of Higher Professional Education “Volgograd State Agrarian University” (FSBEE HPE “VSAU”), Dean.

Contact telephone number: 8-906-404-43-87.

E-mail: agro@volgau.com

Касьянова Алевтина Сергеевна - Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Волгоградский государственный аграрный университет» (ФГБОУ ВПО «ВГАУ»), ассистент кафедры почвоведения и общей биологии.

Контактный телефон: 8-927-512-80-65.

E-mail: alevtina_ivanova@bk.ru

Kasyanova Alevtina Sergeyevna - Federal State Budget Educational Establishment of Higher Professional Education “Volgograd State Agrarian University” (FSBEE HPE “VSAU”), Assistant of the Chair of Soil Science and General Biology.

Contact telephone number: 8-927-512-80-65.

E-mail: alevtina_ivanova@bk.ru