Прогнозирование температуры почвы на различных глубинах

DOI: 10.24411/0044-3913-2018-10303 УДК 631.436

Прогнозирование температуры почвы на различных глубинах

Assessment of Soil Resources in Omsk Region

Yu. V. Aksenova1, A. A. Shpedt2'3, V. M. Krasnitskii4, A. G. Shmidt4

1P.A. Stolypin Omsk State Agrarian University, Institutskaya pl., 1, Omsk, 644008, Russian Federation 2Siberian Federal University, prosp. Svobodnyi, 79, Krasnoyarsk, 660041, Russian Federation 3Krasnoyarsk Agricultural Research Institute, Federal Research Center "Krasnoyarsk Scientific Center of the SB of the RAS", prosp. Svobodnyi, 66, Krasnoyarsk, 660041, Russian Federation

4Center of Agrochemical Service «Omskii», prosp. Koroleva, 34, Omsk, 644012, Russian Federation

Abstract. A comparative assessment of the natural potential of soils of agricultural land in Omsk Region was carried out. The score was determined by a soil-ecological index (SEI). The calculation of SEI for the main soil types showed that the most valuable soils develop in the northern and central forest-steppe and are represented by leached and ordinary chernozems and meadow-chernozem soils, with an estimated score of 46-55. Less valuable soils are in the steppe and south-taiga forest zone. SEI of steppe meadow-chernozem soils and ordinary and southern chernozems reduces to 31-41 points. Sod-podzol soils are estimated at 33 points, gray forest - at 39 points. Over the natural and climatic zones of the region, SEI regularly increases from 24 to 43 points in the range of steppe -southern forest-steppe -central forest-steppe -northern forest-steppe, with a further decrease to 34 points in the southern taiga forest zone. SEI is largely determined by soil and climate indices. The climatic index decreases when moving from the southern taiga forest zone to the steppe zone due to a decrease in the water availability of the territories. Leached and ordinary chernozems, meadow-chernozem soils have a high soil index; with the appearance of solonetzicity and salinity, its magnitude significantly reduced. Solonetzic soils are characterized by the lowest soil index. The agrochemical index changes gradually, increasing when moving from the north to the south of the region from 0.96 points to 1.10 points.

Keywords: soil index; climatic index; agrochemical index; soil and ecological index.

Author Details: Yu. V. Aksenova, Cand. Sc. (Biol.), assoc. prof. (e-mail: axsenovaju-lia@gmail.com); A. A. Shpedt, D. Sc. (Agr.), 00 prof. (e-mail: shpedtaleksandr@rambler. ru); O V. M. Krasnitskii, D. Sc. (Agr.), director, (eN mail: krasnitsky@omsknet.ru); A. G. Shmidt, ^ department manager. Z For citation: Aksenova Yu. V., |j Shpedt A. A., Krasnitskii V. M., Shmidt A. G. ^ Assessment of Soil Resources in Omsk cl Region. Zemledelie. 2018. No. 3. Pp. 14 18 (in Russ.). DOI: 10.24411/0044-3913-S 2018-10302.

a

w

М. А. МАЗИРОВ1, доктор биологических наук, зав. кафедрой (e-mail: mazirov@mail.ru) Е. В. ШЕИН24, доктор биологических наук, профессор (e-mail: evgeny.shein@gmail.com) А. В. ДЕМБОВЕцКИЙ2, кандидат биологических наук, старший научный сотрудник А. И. МАДИ23, аспирант (е-mail: ahmed_mady@agr.asu.edu.eg) А. И. МАРТЫНОВ 1, аспирант Фоссийский государственный аграрный университет - МСХА имени К. А. Тимирязева, ул. Тимирязевская, 49, Москва, 127550, Российская Федерация 2Московский государственный университет им. М. В. Ломоносова, Ленинские горы, 1, Москва, 119991, Российская Федерация 3Университет Айн-Шамс, Хадаек Шубор, Каир, 11241, Египет 4Почвенный институт им. В. В. Докучаева, Пыжевский пер., 7, Москва, 119017, Российская Федерация

Для прогнозных поливариантных расчетов температурного режима почв, определения оптимальных сроков посева, прогревания и охлаждения почв используют зависимость температурапроводности почв от влажности. С целью разработки простой и общедоступной модели указанной зависимости и возможности определения её параметров по педо-трансферным функциям (зависимостям параметров модели от традиционно определяемых свойств почв - плотности почвы, содержания органического вещества и гранулометрических фракций) методом Кондратьева экспериментально была получена зависимость температуропрово-ности для агродерново-подзолистых почв Московской области. Ее рассчитывали с помощью функций трех типов: по предложенной авторами квадратной модели П формы с одним максимумом (М-1), ши-рокораспростренной модели, представленной в работе Т.А. Архангельской (М-3) и по используемой в прогнозных расчетных модели полиномиального уравнения (М-2). Сравнение экспериментальных данных с результатами, полученными с использованием моделей, показало, что наименьшие отклонения от экспериментально определенных значений характерны для предложенной модели (М-1), М-2 стабильно завышает величины темпертауропро-водности, а М-3 несколько их занижает при наибольшем разбросе погрешностей моделирования. Непараметрический критерий Вильямса-Клюта показал, что

предложенная педотрансферная функция квадратного уравнения (М-1) лучше подходит для прогнозирования температуропроводности и расчетов температурного режима почвы, чем использовавшиеся ранее (М-2 и М-3).

Ключевые слова: температура почв, температуропроводность и влажность, педотрансферные функции.

Для цитирования: Прогнозирование температуры почвы на различных глубинах / М. А. Мазиров, Е. В. Шеин, А. В. Дембовец-кий и др.//Земледелие. 2018. № 3. С. 18-20. СЮ1: 10.24411/0044-3913-2018-10303.

Теплофизические параметры почвы - основа для моделирования тепловых потоков и расчетов температуры почвы. С помощью физически обоснованных моделей температуропроводности можно по температуре поверхности почвы рассчитывать и краткосрочно прогнозировать ее на конкретной глубине. Для ряда сельскохозяйственных культур, это необходимо для уточнения сроков посева. Более того, развитие точного земледелия предполагает реализацию дифференцированного подхода к обработке различных участков поля в зависимости от температуры почвы. В этом случае оперативной информацией о возможности начала обработки или посева на различных участках поля служит температура на той или иной глубине. Температуру поверхности почвы сейчас можно определить быстро и на значительной площади с помощью средств дистанционного зондирования (спутники, беспилотные летательные аппараты), однако посев обычно осуществляют на 7-15 см ниже поверхности в зависимости от культуры. Ее определение на некоторой глубине (посева, обработки и др.) затруднительно, так как необходимо учитывать не только темпера-туруповерхности, но и прогрев почвы по профилю. Этот прогрев, то есть распространение тепловой волны от поверхности в глубь почвы, будет во многом зависеть от ее свойств: влажности, гранулометрического состава, плотности и др. Для его расчета разработаны математические модели и педотрансферные функции (ПТФ), которые служат важными инструментами для прогнозирования переноса тепла в почве [1, 2, 3]. ПТФ зависят от физических характеристик почвы (гранулометрический состав, плотность и содержание органическое

вещество), которые и выступают в качестве основных предикторов ее важных термических параметров. В частности, температуропроводность количественно определяет способность почвы сохранять тепловую энергию во время процессов переноса тепла [1, 2, 3, 4, 5]. Отмечено, что коэффициент температуропроводности возрастает с увеличением плотности и уменьшением содержания органического вещества в почве [4, 5] Существует множество методов ее измерения: прямые, лабораторные [1, 5] и косвенные, основанные на математических моделях и педо-трансферных функциях (ПТФ) [1, 2, 3, 4, 5]. Такого рода функции, используемые для перевода имеющихся данных в необходимые величины, все шире применяют в прогнозах и количественных земледельческих расчетах [4, 5, 6].

Многие математические модели характеризуют термические параметры почвы путем определения их по полиному [2], который описывает связь между теплопроводностью (X) и объемной влажностью почвы (9): X (9) = Ь1 + Ь29 + Ь3905 Эмпирические параметры такой модели Ьг Ь2 и Ь3 зависят от классических свойств почвы (гранулометрический состав, плотность, содержание органического вещества и др.). Именно поэтому удобно находить статистически обоснованную связь между указанными параметрами и физическими свойствами почв, чтобы в дальнейшем при расчетах температурного режима можно было установить функцию температуропроводности от влажности и рассчитать температурный режим на различной глубине [1, 2, 6]. Более того, в работе [1] была предложена физически обоснованная модель зависимости температуропроводности от влажности почвы:

К = К0 + а*ехр [-0,5 (1п ^ / w0) / Ь)2] где w - содержание воды, К -температуропроводность; К0, а, w0 и Ь - параметры кривой; К0 - коэффициент температуропроводности сухой почвы, w0 - содержание воды, соответствующее максимальной температуропроводности, (К0 + а) - максимальная температуропроводность при w = w0; параметр Ь характеризует ширину пика кривой.

Однако эта модель включает в себя много параметров (более 4-х), что требует для построения ПТФ детальных экспериментальных данных (более 6-8 определений) и затрудняет её использование при прогнозных расчетах [6].

Цель нашей работы - предложить простую математическую модель, которая позволит оценить зависимость коэффициента температуропровод-

ности от содержания воды на основе традиционно определяемых физических свойств почвы.

Для ее достижения решали следующие задачи: экспериментально изучить зависимость температуропроводности от влажности для различных горизонтов агродерново-подзолистой тяжелосуглинистой почвы (Московская обл.); предложить физически обоснованную зависимость между температуропроводностью и влажностью почвы; оценить параметры этой модели на основе физических характеристик почвы с использованием ПТФ; сравнить расчетные значения температуропроводности по предложенной ПТФ с существующими ПТФ [1, 2] для оценки этих моделей.

Использовали образцы тяжелосуглинистой агродерново-подзолистой почвы на покровных суглинках (Зеленоградская опытная станция Почвенного института имени В.В.Докучаева, Пушкинский район, Московской области) [7]. Для исследования отобрали 13 образцов из основных горизонтов агродерновой почвы, коэффициент температуропроводности рассчитывали при разных значениях влажности почвы (7 уровней для каждого образца - 0,05, 0,15, 0,2, 0,25, 0,28, 0,35 и 0,4 г/г). ПТФ строили на основе традиционных физических свойств почвы - гранулометрический состав, плотность почвы и содержание органического вещества. Гранулометрический состав определяли с использованием метода пипетки, плотность почвы -буровым методом, содержание органического вещества - с использованием экспресс-анализатор А^7529, температуропроводность почвы - методом Кондратьева [5].

Для оценки зависимости температуропроводности (К) от влажности (9)использовали модель М-1 в виде квадратного уравнения:

К (9) = Ь1 + Ь29-Ь392,

Ь1, Ь2, и Ь3 определяли из ПТФ согласно [1, 4, 6]: К0 = -а1 + а2 В^ + а3 С+ а4 ФГ, где В^ - плотность почвы (г/ см3), С - содержание органического углерода (%), а ФГ - содержание физической глины (частиц менее 0,002 мм, г/г).

Модель М-2 представляла собой полиномиальное уравнение по оценке теплопроводности К(9) как функции влажности почвы. . В этом случае параметры уравнения Ь1, Ь2 и Ь3 также оценивали с помощью ПТФ на основе физических свойств почвы.

Аналогично предыдущим моделям, современная широко используемая модель М-3 [1] имеет 4 параметра, которые также рассчитываются по ПТФ.

Таким образом, алгоритм получения зависимостей температуропроводности от влажности почвы был одинаковым для всех 3-х моделей: выбор типа модели (квадратная - М-1, полиномиальная - М-2, логистическая - М-3) и определение параметров модели на основании ПТФ по установленным ранее традиционным свойствам почв (гранулометриеский состав, плотность, содержание органического вещества).

Эффективность ПТФ определяли с использованием традиционных статистик разностей статистического анализа экспериментальных и рассчитанных по моделям величин (погрешностей моделей [2]) темпе-ратуропроводнсти и специального теста Вильямса-Клюта [2], статистически определяющего лучшую из предложенных моделей для описания экспериментальных данных.

Экспериментальные зависимости температуропроводности от влажности почвы имели известный из литературы вид кривой с одним максимумом: температуропроводность сначала быстро возрастала с увеличением содержания воды, достигая максимума при влажности около 80-100 % от наименьшей влагоемкости, а затем постепенно уменьшалась. Одновременно она повышалась с ростом плотности от горизонта Апах (0-20 см) к ВТ (40-50 см). Этот результат также согласуется с данными других исследователей [1, 8]. Полученные результаты описали с использованием 3-х сравниваемых моделей, а затем их параметры статически с помощью регрессионных уравнений связали со значениями плотности, гранулометрического состава и содержания органического вещества почв. Так были получены ПТФ для всех 3-х моделей.

Для проверки эффективности ПТФ при прогнозировании температуропроводности ее значения, вычисленные с использованием моделей (М-1, М-2 и М-3) с тремя соответствующими ПТФ, сравнили с величинами (Кехр) экспериментально измеренными прямым методом. При этом анализировали погрешности той или иной модели (см. рисунок). Результаты показали, что лучшей ПТФ для расчета температуропро- ы водности агродерново-подзолистой о почвы в зависимости от ее влажно- | сти, было квадратичное уравнение д (М-1). М-2 стабильно завышала л величины температуропроводности, 5 а М-3 несколько их занижала при 2 наибольшем разбросе погрешно- 3 стей моделирования. Непараметри- м ческий критерий Вильямса-Клюта 1 достоверно показал, что предло- 8

5

о

X х

X

л Ч

X

X

.а ^

ш

4 о

5 s X

х л ц. га I-

х

Ф

5 s

а ш с

о

п л J S

X

«

л а

Эксп-М1 Эксп-М2 Эксп-М3

Рисунок. Статистики разниц экспериментальных (Экяп) и расчетных по моделям Ml (квадратичная зависимость), М-2 (модель Chang, Horton, 1987[2]) и общеупотребительная модель М-3[1]:  - Mean;  - Mean ±SD; J - Mean ±1,96*SD.

женная педотрансферная функция (ПТФ) квадратного уравнения (М-1) достоверно (р<0,05) лучше описывает экспериментальные данные, чем ПТФ М-2 и М-3, для прогнозирования температуропроводности тяжелосуглнистой агродерново-подзолистой почвы.

Таким образом, температуропроводность агродерново-подзолистой тяжелосуглнистой почвы возрастала с увеличением содержания воды, достигая максимума, а затем постепенно снижалась. Предложено описывать зависимость между тем-ператропроводностью и влажностью почвы с помощью п-образной кривой с использованием квадратного уравнения. Его параметры можно определить на основе педотранс-ферных функций - зависимостей параметров квадратного уравнения от свойств почвы (содержание физической глины, органического вещества и плотность почвы). Статистические показатели (коэффициент детерми-5? нации, среднеквадратические ошибся ки и непараметрический критерий ю Вильямса-Клюта) свидетельствуют ^ о том, что ПТФ в виде квадратного о уравнения - точная и достоверная | прогнозная функция для прогнозирования температуропроводности  почвы от влажности тяжелосугли-5 нистой агродерново-подзолистой $ почвы.

Литература.

1. Архангельская Т. А. Новая эмпирическая формула для оценки тепловой диффузии почвы // Материалы научной сессии по фундаментальной почвоведению. М: МАКС Пресс, 2004. С. 45-46.

2. Chung S.-Ok, Horton Rt. Soil heat and water flow with a partial surface mulch. // Water Resour. Res. 1987. Vol. 23. Pp. 21752186.

3. Bouma J. Using soil survey data for quantitative land evaluation // Advances in Soil Science. 1989. Vol. 9. Pp. 177-213.

4. Теплофизические характеристики почв - основа расчета и управления тепловым режимом почв / Е. В. Шеин, М. А. Мазиров, Ф. Д. Микайылов и др. // Земледелие. № 6. C. 20-23.

5. Шеин Е. В., Рыжова И. М. Математическое моделирование в почвоведении: учебник. М.: Изд-во ИП «Маракушев», 2016. 400 с.

6. Гидродепозитарные и гидропро-водящие свойства при моделировании влагопереноса в дерново-подзолистых почвах с помощью физически обоснованных моделей / Е. В. Шеин, Е. Б. Скворцова, С. С. Панина и др. // Бюллетень Почвенного института им. В. В. Докучаева. 2015. Вып. 80. С. 71-82.

7. Теории и методы физики почв / под ред. Е. В. Шеина и Л. О. Карпачевского. М.: Изд-во «Гриф и Ко», 2007. 616 с.

8. Amrollah G. Soil Thermal Properties Survey // International Journal of Advanced and applied science. 2014. Vol. 1(6). Pp. 31-36.

Forecasting Soil Temperature at Various Depths

M. A. Mazirov1, E. V. Shein24, A. V. Dembovetsky2, A. I. Madi23, A. I. Martynov1

Russian State Agrarian University -Moscow Timiryazev Agricultural Academy, ul. Timiryazevskaya, 49, Moskva, 127550, Russian Federation 2Lomonosov Moscow State University, Leninskie gory, 1, Moskva, 119991, Russian Federation 3Ain Shams University, Khadaek Shubor, Kair, 11241, Egypt 4V. V. Dokuchaev Soil Science Institute, Pyzhevskii per. 7, Moskva, 119017, Russian Federation

Abstract. The dependence of the soil thermal diffusivity on soil moisture is used to predict multivariate calculations of the soil heat regime, to determine the optimal time for sowing, heating and cooling of soils. In order to develop a simple and generally available model for this dependence and the possibility of determining its parameters from pedotransfer functions (the dependence of the model parameters on the traditionally determined properties of soils: density, the content of organic matter and granulomet-ric fractions), the dependence of thermal diffusivity for agro-podzol soils of Moscow Region was obtained experimentally by the Kondratiev method. It was calculated using functions of three types: according to the author's proposed quadratic model of a single-maximum (M-1), a model of a polynomial equation, used in forecasting models (M-2), and the wide-spread model(M-3), presented in the work of T. A. Arkhangelskaya. Comparison of the experimental data with the results obtained with the use of models showed that the smallest deviations from the experimentally determined values are characteristic for the proposed model (M-1), M-2 stably overestimates the thermal diffusivity values, and M-3 slightly understates them with the greatest variability in the modeling errors. The non-parametric Williams-Clute criterion reliably indicated that the proposed pedo-transfer function of the quadratic equation (M-1) is better than the previously proposed models (M-2 and M-3) for predicting thermal diffusivity and calculating the temperature regime of the soil.

Keywords: temperature of soils; thermal diffusivity and humidity; pedotransfer functions.

Author Details: M. A. Mazirov, D. Sc. (Biol.), head of department (e-mail: mazirov@ mail.ru); E. V. Shein, D. Sc. (Biol.), prof. (email: evgeny.shein@gmail.com); A. V. Dembovetsky, Cand. Sc. (Biol.), senior research fellow; A. I. Madi, post graduate student (е-mail: ahmed_mady@agr.asu.edu.eg); A. I. Martynov, post graduate student.

For citation: Mazirov M. A., Shein E. V., Dembovetsky A. V., Madi A. I., Martynov A. I. Forecasting Soil Temperature at Various Depths. Zemledelie. 2018. No. 3. Pp. 18-20 (in Russ.). DOI: 10.24411/00443913-2018-10303

Каштанов Александр Николаевич

Доктор сельскохозяйственных наук, профессор,

академик ВАСХНИЛ, РАСХН, РАН, заслуженный деятель науки РФ,

лауреат Государственной премии РФ в области науки и техники

Александр Николаевич Каштанов родился 25 марта 1928 г. в с. Юрасо-во Бронницкого (ныне Раменского) района Московской области.

В 1952 г. окончил Московскую сельскохозяйственную академию им. К.А. Тимирязева.

Основные этапы работы: младший научный сотрудник СибНИИС-Хоз (1952-1953); главный агроном Ольгинской МТС (1953-1956); заместитель, затем начальник Омского облсельхозуправления (19561961); заведующий сельхозотдела, секретарь Омского обкома КПСС (1961-1964), инструктор орготдела ЦК КПСС (1964-1967), директор Алтайского НИИСХ (1967-1976), заместитель министра сельского хозяйства РСФСР (1967-1978), вице-президент, председатель Президиума СО ВАСХНИЛ (19781979), заместитель заведующего сельскохозяйственного отдела ЦК КПСС (1979-1983), вице-президент ВАСХНИЛ (1983-1992), первый вице-президент РАСХН (1992-2002). С 2002 г. заведующий отделом, главный научный сотрудник Почвенного института им. В.В. Докучаева.

Область научной и практической деятельности: земледелие, защита почв от эрозии, проблемы экологии и охраны окружающей среды. А.Н. Каштановым проведены всесторонние исследования по проблемам сохранения и повышения плодородия почв, защиты их от водной и ветровой эрозии. Значительное место занимают исследования по обработке целинных и залежных земель. В центре постоянного внимания - разработка зональных систем земледелия, совершенствование и освоение почвозащитного контурно-мелиоративного земледелия, направленного на сохранение и повышение плодородия почвы,борьбу с засухой и эрозией.

Александр Николаевич - основатель нового направления -адаптивно-ландшафтного земледелия. Им разработаны и опубликованы принципы земледелия на ландшафтной основе с разными

формами землепользования. Подготовленные под его руководством рекомендации внедрены на больших площадях на территории России.

Глубокие теоретические исследования и практическая направленность разработок в области земледелия выдвинули А.Н. Каштанова в ряд ведущих ученых международного уровня. Он был председателем научных советов по проблемам экологии в АПК, по агроландшафтам, по проблемам эрозии и дефляции почв; членом бюро Отделения земледелия; председателем редакционного совета журнала «Доклады Россель-хозакадемии»; членом президиума, вице-президентом Центрального совета Докучаевского общества почвоведов. На сегодняшний день Александр Николаевич академик Международной славянской академии наук, образования, искусств и культуры, член аграрных академий Беларуси, Грузии, Украины; член редколлегий журналов «Земледелие» и «Почвоведение».

Особое внимание А.Н. Каштанов уделяет работе с молодыми учеными. Им создана научная школа по проблеме защиты почв от эрозии и дефляции, подготовлено 10 докторов и 15 кандидатов наук.

Александр Николаевич автор около 500 научных работ, в том числе 10 монографий: «Защита почв от ветровой эрозии» (1974); «Почвозащитное земледелие» (1979); «Устойчивость земледелия» (1983); «Почвоводоох-ранное земледелие» (1984); «Основы ландшафтно-экологического земледелия» (1994); «Методика разработки систем земледелия на ландшафтной основе» (1996); «Агроэкология почв склонов» (1997).

В 1999 г. под руководством А.Н. Каштанова и Л.Л. Шишова была издана Государственная почвенно-эрозионная карта России (М. 1:2,5 млн).

За цикл научных работ по почвозащитному земледелию и проблемам охраны окружающей среды Александр Николаевич награжден Золотыми медалями имени

акад. В.Р. Вильямса (1980), акад. С.И. Вавилова (1989), Почетного акад. ВАСХНИЛ Т.С. Мальцева (1996), акад. ВАСХНИЛ А.И. Бараева (1990); удостоен звания «Заслуженный деятель науки» (1993).

В 2000 г. академик А.Н. Каштанов (руководитель коллектива авторов) за разработку научных основ формирования экологически сбалансированных, высокопродуктивных агроландшафтов и систем земледелия был удостоен Государственной премии Российской Федерации в области науки и техники.

В 2003 г Александру Николаевичу присвоено звание Международного Ученого года (Центр Кембридж), в 2013 г. он награжден Дипломом РАСХН «За лучшую завершенную научную разработку» (по эрозии почв).

А.Н. Каштанов удостоен двух орденов «Почета», двух орденов «Трудового Красного Знамени», ордена «Ленина», ордена «За заслуги перед отечеством»; медалей «За освоение целинных и залежных земель», «За доблестный труд», «Ветеран труда», «За доблестный труд в Великой Отечественной войне 1941-1945», «За труды в сельском хозяйстве». Александра Николаевича многократно избирали депутатом областного и краевого Советов депутатов, дважды - депутатом Верховного Совета е

рсфср. л

Коллектив Почвенного института д

им. В.В. Докучаева и редакция жур- л

нала «Земледелие» от всей души е

поздравляют Александра Николае- №

Ю

вича с юбилеем, желают крепкого ы здоровья и новых свершений. 0