сотрудник с 01.01.2008 по настоящее время
г. Воронеж, Воронежская область, Россия
с 01.01.2010 по 01.01.2020
Воронежский государственный университете (доцент)
Воронеж, Россия
Россия
сотрудник
ВАК 06.03.2000 Лесное хозяйство
В современных условиях важной составной частью экологического мониторинга является наблюдения за экологическим состоянием почвенного покрова, подразумевающие активное применение геоинформационных систем. Существующая пространственная контрастность почвенного покрова и варьирование показателей экологического состояния почв в значительной степени осложняет интерпретацию и внедрение результатов почвенно-экологического мониторинга в природоохранную практику. Традиционные исследования пространственной пестроты почвенных свойств с использованием геоинформационных технологий носят прикладной характер и в первую очередь связаны с внедрением в практику технологий точного земледелия. Применение ГИС-технологий направлено на инвентаризацию и оценку состояния природных ресурсов конкретной территории, с учетом особенностей их пространственной динамики. Однако применения геоинформационных систем для исследования пространственного варьирования показателей экологического состояния почв в лесных экосистемах является также весьма актуальными. Данные исследования позволяют не только проследить фактические изменения в экологическом состоянии почвенного покрова леса, но и выявить зависимость последних от уровня антропогенной нагрузки экосистем, а также проводить моделирование и прогноз состояния лесных экосистем. В статье рассмотрены основные закономерности пространственного варьирования физико-химических и химических свойств почв в зависимости от пестроты рельефа. Выявлены разные степени рассеивания показателей физико-химических и химических свойств почв, по вычисленному коэффициенту варьирования. Наибольший размах варьирования характерен для мощности подстилки и дёрна, содержания гумуса и обменного калия (V>33%).
почвенный покров, пространственное варьирование, экологическое состояние, дерново-лесные почвы, Усманский Бор, геоинформационные системы, физико-химические и химические свойства
Введение
В современных условиях важным инструментом мониторинга состояния окружающей среды являются геоинформационные технологии. Пространственное варьирование показателей экологического состояния почв используется множеством иностранных ученых для обоснования внедрения элементов точного земледелия [1, 2, 3]. В наибольшей степени их применение направлено на инвентаризацию и оценку состояния природных ресурсов конкретной территории, с учетом особенностей их пространственной динамики. Одним из наиболее актуальных и перспективных направлений применения ГИС и методов геостатистики является изучение пространственного варьирования показателей экологического состояния почв в лесных экосистемах. Данные исследования позволяют не только проследить фактические изменения в экологическом состоянии почвенного покрова леса, но и выявить зависимость последних от уровня антропогенной нагрузки экосистем, а также в дальнейшем моделировать и прогнозировать состояние лесного биогеоценоза в целом [4]. Особенно актуально это для лесов и зеленых насаждений, прилегающих к крупным городам, поскольку их экосистемы испытывают постоянно возрастающее воздействие автотранспорта. Впервые было проведено подробное исследование влияние пестроты рельефа на пространственное варьирование основных физико-химических и химических показателей в пределах Усманского бора Воронежской области.
Цель нашей работы – изучение закономерностей пространственного варьирования основных показателей экологического состояния дерново-лесных почв Усманского бора.
В задачи исследования входило: закладка ключевого участка, отбор почвенных образцов, проведение геостатистического анализа для ключевого участка, анализ пространственного варьирования физико-химических и химических свойств дерново-лесных почв.
Объекты и методы
Исследованы почвы Воронежской области Российской Федерации: дерново-лесные глеевато-элювиальные супесчаные, расположенные на территории Усманского бора в лесостепной зоне, который является основным лесом в центре Среднерусской возвышенности и граничащим с городом Воронежем (рисунок 1, 2) [5, 6]. Полевые исследования проводились в 2016 году [7]. Для проведения исследований на окраине соснового леса был заложен ключевой участок, общей площадью 1 га (100*100 м), стороны которого ориентированы по сторонам света. Ключ располагается к юго-востоку от НОиСОК «Веневитиново» на расстоянии 1 км в непосредственной близости от озера Чистое. Ключевой участок был заложен на пологом холме, вытянутом с запада на восток.
Рисунок 1. Географическое положение Усманского бора [6].
Рисунок 2. Географическое положение ключевого участка (РФ) [по результатам исследований авторов].
Полевые исследования проводились в 2016 году [7]. Для проведения исследований на окраине соснового леса был заложен ключевой участок, общей площадью 1 га (100*100 м), стороны которого ориентированы по сторонам света. Ключ располагается к юго-востоку от НОиСОК «Веневитиново» на расстоянии 1 км в непосредственной близости от озера Чистое. Ключевой участок был заложен на пологом холме, вытянутом с запада на восток. Почвенный покров участка представлен дерново-лесными осветленными почвами с типичным для данного подтипа морфологическим строением профиля, физико-химическими и химическими свойствами (table 1, 2). (n.l. 51°48'471'' e.l. 39° 23'918'') (GPS Navigator Garmin Oregon 750 2017 Taiwan China). Для отбора проб почвы в пределах ключевого участка была наложена регулярная сеть опробования с шагом 20 м. Отбор образцов осуществлялся на глубину 0 - 30 см по узлам сети, лабораторные исследования включали определение основных диагностических параметров плодородия по общепринятым стандартным методикам [7-11].
Почвенные образцы в разрезах отбирались послойно, согласно требованиям ГОСТ 17.4.4.02-84. Во всех пробах были определены основные показатели экологического состояния почв по общепринятым методикам: валовой гумус по И.В. Тюрину в модификации В.Н. Симакова [11]; азот легкогидролизуемых соединений в щелочной вытяжке по А.Х. Корнфилду [11]; подвижный фосфор по Ф.В. Чирикову фотоколориметрическим методом; обменный калий в некарбонатных почвах по Ф.В. Чирикову с пламеннофотометрическим окончанием, согласно требованиям ГОСТ 17.4.4.02-84 [11]. Полученные данные статистически обработали с использованием программ Box Plot и Microsoft Excel. Полученные результаты анализа подвергались геостатистической обработке в программном пакете Surfer 13. [7-11].
Результаты и их обсуждение
Традиционно исследования пространственной пестроты параметров экологического состояния почв используется в агроэкологических исследованиях и при разработке систем точного земледелия, подразумевающих дифференцированное к условиям отдельных полей и их участков применение агротехнологий [12-15]. Все эти исследования подразумевают активное использование геоинформационных технологий, методов геостатистики и дистанционного зондирования.
С момента появления учения о структуре почвенного покрова предпринимались попытки проводить исследования пространственной изменчивости почв в лесных биогеоценозов. Так, Н.А. Взнуздаев, исследуя пространственную пестроту влажности лесных дерново-подзолистых почв, показал, что на пространственное варьирование этого параметра влияла удаленность точек отбора от стволов деревьев, тип и однородность травянистого растительного покрова [16]. Л.О. Карпачевским и Н.К.Киселевой отмечалось влияние факторов растительного покрова на изменчивость почвенных свойств, как в условиях лесных биоценозов, так и в степных растительных ассоциаций, наряду с влиянием других факторов. Подобная пестрота определяется неравномерным распределением разлагающихся растительных остатков и минеральных компонентов разного состава, зависимостью от микроклиматических условий [17-18].
Для характеристики свойств почв, необходимо использовать среднестатистические значения, но, тогда достоверность уменьшится. Для наиболее наглядного представления о химическом составе дерново-лесной почвы ключевого участка нами использованы геостатистические методы исследования, составлены картосхемы (рис. 3-11).
Верхний 0-30 см слой дерново-лесной почвы на ключевом участке характеризуется средними и пониженными значениями физико-химических и химических свойств. Актуальная кислотность почв ключа изменяется в диапазоне 5.1-6.2 ммоль(экв)/100 г почвы. Сумма обменных оснований в почвах ключевого участка не превышает 8.8 ммоль(экв)/100 г почвы (размах варьирования 6.1-8.8 ммоль(экв)/ 100 г почвы) с преобладанием кальция (5.9-7.2 ммоль(экв)/ 100 г почвы), гидролитическая кислотность изменяется в интервале 2.2-3.9 ммоль(экв)/100 г почвы. При этом почвы участка характеризуются средней и повышенной степенью насыщенности обменными основаниями (66.1-78.2 %). Коэффициенты вариации по каждому показателю не превышают 20.0 %, что свидетельствует о слабой и средней изменчивости физико-химических свойств, максимальная изменчивость характерна для гидролитической кислотности (19.9 %).
В качестве основного фактора варьирования физико-химических свойств почв на ключевом участке выступают особенности организации рельефа. Так, максимальные значения актуальной кислотности наблюдаются на вершине холма (6.1ммоль(экв)/100 г почвы и выше), на склоне холма южной экспозиции (от 5.9 ммоль(экв)/100 г почвы). В фоновых дерново-лесных почвах гидролитической кислотности 5.5±0.74 ммоль(экв)/100 г почвы. Аналогичные тенденции характерны и для содержания суммы обменных оснований 7.1±0.56 ммоль(экв)/100 г почвы в фоновой почве (табл. 1). Для показателей, характеризующих гидролитическую кислотность и степень насыщенности почв основаниями, пространственное варьирование определяется в первую очередь мощностью и особенностями химического состава подстилки и дернового горизонта.
Рисунок. 3. Организация рельефа ключевого участка [по результатам исследований авторов].
Максимальные значения этих параметров наблюдаются на западном склоне, где в наибольшей степени развита травянистая растительность, влияющая на мощность дернового горизонта, и мощность хвойной подстилки в среднем составляет - 1 см.
Рисунок 4. Варьирование актуальной кислотности в дерново-лесных почвах ключевого участка [по результатам исследований авторов].
Рисунок. 5. Варьирование содержания суммы обменных оснований в дерново-лесных почвах ключа [по результатам исследований авторов]
Таблица 1
Статистические показатели физико-химических свойств в эталонных почвах ключа
[по результатам исследований авторов]
|
Глубина, см |
n |
рНH2O |
H+ |
Ca2++Mg2+ |
|
ммоль (экв) / 100 г почвы |
||||
|
|
|
|
||
|
0-30 |
31 |
4.732±0.51 |
5.51±0.743 |
7.08±0.56 |
Примечание: n1 - количество образцов; х2 - среднее арифметическое; 3 - среднее арифметическое с ошибкой среднего арифметического.
Таблица 2
Статистические показатели химических свойств в эталонных почвах ключа
[по результатам исследований авторов]
|
Глубина, см |
n |
Гумус, % |
Nщел.гидр. |
P2О5 |
K2О |
|
мг/100 г почвы |
|||||
|
|
|
|
|||
|
0-30 |
3 |
3.18±0.58 |
6.24±0.76 |
5.53±0.75 |
5.62±0.71 |
Содержание гумуса в исследуемых дерново-лесных почвах составляет 0.4-3.2 %. Высокая степень неоднородности показателя подтверждается высоким значением коэффициента вариации (40.0 %). При этом на участке присутствуют ареалы с очень низким, низким и средним содержанием органического вещества, по классификации предложенной Л.А. Алаевой и Л.А. Яблонских [19] Содержание гумуса в 0-30 см слое фоновых почвах составляет 3.18±0.58 (табл. 2).
Основным фактором варьирования содержания гумуса в верхнем слое дерново-лесных почв на ключевом участке является рельеф (рис. 6). Контур с повышенным содержанием гумуса приурочен к вершине холма, образовавшегося на террасном участке реки Усмань.
Отдельные небольшие пятна с повышенным содержанием наблюдаются на склоне восточной экспозиции с хорошо выраженным дерновым горизонтом и минимальным количеством лесной подстилки, представленной главным образом хвоей сосны обыкновенной. Контуры с минимальным содержанием в основном сконцентрированы в пограничных областях исследуемого участка.
По содержанию доступных форм элементов питания почвы объекта исследования также отличаются высоким уровнем пространственной пестроты. Она закономерно возрастает в ряду калий – азот – фосфор: разница между максимальным и минимальными показателями варьировала от 1.7 до 5.5 раз.
Содержание щелочногидролизуемого азота почвы участка изменяется в диапазоне 5.2-9.2 мг/100 г почвы, при коэффициенте вариации равном 15.0 %. Содержание подвижного фосфора в гумусовом горизонте изучаемой почвы находится в диапазоне 4.9-8.2 мг/100 г почвы, при коэффициенте вариации равном – 13.6%
Содержание обменного калия варьирует в интервале 2.5-13.8 мг/100 г. Нельзя не отметить большой разброс в показателях K2O. разрыв между некоторыми образцами достигает 10 мг/100 г почвы, при коэффициенте варьирования равном 40.5 %, что свидетельствует о высоком уровне неоднородности данного показателя (рис. 7). В качестве факторов, лимитирующих пестроту содержания доступных форм элементов питания, следует выделить: особенности микро- и мезорельефа, плотность травянистой растительности и мощность подстилки. Как правило, участки с максимальным содержанием подвижных форм элементов питания приурочены к вершине холма, а также участкам склона с максимальной мощностью дернового горизонта и минимальной мощностью подстилки.
Рисунок 6. Пространственная пестрота содержания гумуса в дерново-лесных почвах ключевого участка
[по результатам исследований авторов]
Рисунок. 7. Пространственная изменчивость содержания обменного калия в почвах ключевого участка [по результатам исследований авторов]
Участки с минимальным содержанием элементов питания совпадали с участками склона, на которых сформировалась наиболее мощная подстилка из хвои, обедненная азотом, фосфором и калием, и с наименьшей плотностью травянистой растительности, которая выступает в качестве основного источника биогенных элементов и органического веществ.
Выводы
На исследованном ключевом участке, расположенном на территории Усманского бора отмечается достаточно высокий уровень пространственного варьирования показателей экологического состояния дерново-лесных почв, даже при достаточно однородном почвенном покрове. В качестве факторов, определяющих пестроту пространственного варьирования, выступают: формы мезорельефа (склоновые ландшафты), микрорельеф (наличие микропонижений), состав и плотность различных видов растений, микроклимат. Практически все экологические свойства почв на ключевом участке в своих показателях охватывают 2, а то и 3 уровня градаций.
В большинстве исследованных экологических условиях почвообразовательного процесса выявлены закономерные взаимозависимости от рельефа ключевого участка. Но данная зависимость не является прямой, поскольку рельеф влияет на растительность, микроклимат, водный баланс, определяющих величину пространственного варьирования изучаемых физико-химических и химических свойств дерново-лесных почв.
1. Scharf P.C.; Kitchen N.R.; Sudduth K.A.; Davis J.G.; Hubbard V.C.; Lory J.A, Field-Scale Variability in Op-timal Nitrogen Fertilizer Rate for Corn, Agronomy Journal, USA, Madison, 2005, Vol. 97, No 2, pp. 452-461. - DOIhttps://doi.org/10.2134/agronj2005.0452.
2. Daughtry C.S.T.; Hunt Jr, E.R.; Doraiswamy P.C.; McMurtrey III J. E. Remote sensing the spatial distribu-tion of crop residues. Agronomy Journal, USA, Madison, 2005, Vol. 97, pp. 864-871. - DOIhttps://doi.org/10.2134/agronj2003.0291
3. Морев Д.В. Агроэкологическая оценка земель в условиях зонального ряда агроландшафтов с повы-шенной пестротой почвенного покрова: специальность - 03.02.08 Экология (биология): автореф. дис. ... канд. биол. наук / Морев Дмитрий Владимирович, РГАУ-МСХА им. К.А. Тимирязева - М., 2017 - 25 с.
4. Белик А.В. Пространственное варьирование показателей экологического состояния дерново-лесных почв ближнего Подворонежья / А.В. Белик, Г.А. Зорин // Зеленая инфраструктура городской среды: современ-ное состояние и перспективы развития: сборник статей международной научно-практической конференции (Воронеж 6-7 сентября 2017 г) - М.: ООО "Актуальность. РФ", 2017 - С. 10-12.
5. Deviatova Т .А.; Gorbunova Yu.S., Rumyantseva I .V. Basic property analysis of sod-forest soil covered by a forest fire in the territory of Usmansky pinery (RF) IOP Conf. Ser.: Earth Environ. Sci., 2019.. - Vol. 392, p. 012048. - DOI:https://doi.org/10.1088/1755-1315/392/1/012048.
6. Udodenko Yu.G.; Komov V.T.; Gorbunova Ju.S.; Devyatova T.A. Effect of forest fire on mercury content in soddy podburs of typical forest-steppe environments (Voronezh region, Russia). Ecosystem transformation - 2019 - Vol. 2, p. 75-85. - DOI:https://doi.org/10.23859/estr-180413.
7. ISO 18400-206:2018 Soil quality - Sampling - Part 206: Collection, handling and storage of soil under aero-bic conditions for the assessment of microbiological processes, biomass and diversity in the laboratory: international standard, publication date - 11.2018, 18 p. (ISO, Geneva, Switzerland).
8. ISO 10390:2005 Soil quality - Determination of pH: international standard, publication date - 02.2005, 12 p. (ISO, Geneva, Switzerland).
9. ISO 10694:1995 Soil quality - Determination of organic and total carbon after dry combustion (elementary analysis): international standard, publication date - 03.2005, 7 p. (ISO, Geneva, Switzerland).
10. ISO 11260:2018 Soil quality - Determination of effective cation exchange capacity and base saturation level using barium chloride solution): international standard, publication date - 05.2018, 12 p. (ISO, Geneva, Switzerland).
11. Жаппарова А.А. Агрохимические методы анализа почв, растений и удобрений: учеб. пособие /А.А. Жаппарова; Министерство науки и образования Республики Казахстан, Казахский национальный аграрный университет - Алматы, 2012. - 98 с.
12. Matejkova S.; Kumhalova J.; Lipavsky J. Evaluation of crop yield under different nitrogen doses of mineral fertilization. Plant soil environ. - 2010, Vol. 56 (4), pp 163-167. - DOIhttps://doi.org/10.17221/196/2009-PSE.
13. Мелиховская П.В. Изучение пространственной изменчивости свойств почв геостатистическими методами: специальность 03.02.13 "Почвоведение" автореферат дис. ... канд. биол. наук / Мелиховская Полина Владимировна, МГУ - М.: 2011, 22 с.
14. Экология и география почв: сборник трудов / под ред. П.В. Красильникова; Петрозаводск: Институт биологии Карельского научного центра РАН, 2009. - 215 с. - ISBN 978-5-9274-0395-0:300.
15. Kavianpoor H., Ouri A.E., Jeloudar Z.J., Kavia A. Spatial Variability of Some Chemical and Physical Soil Properties in Nesho Mountainous Rangelands. American Journal of Environmental Engineering, 2012 Vol. 2(1), pp 34-44. - DOIhttps://doi.org/10.5923/j.ajee.20120201.06
16. Взнуздаев Н.А. Пространственная изменчивость почвенной влажности и ее связь со структурой лес-ного биогеоценоза / Н.А. Взнуздаев // Почвенные комбинации и их генезис. - М.: Наука, 1972. - С. 123 - 170.
17. Карпачевский Л.О. Изменчивость свойств почвы в зависимости от структуры биогеоценоза / Л.О. Карпачевский // Почвенные комбинации и их генезис. - М.: Наука, 1972. - С. 138-149
18. Киселева Н.К. Варьирование содержания обменных кальция, магния и алюминия в дерново-подзолистых почвах широколиственных лесов / Н.К. Киселева // Почвен¬ные комбинации и их генезис - М.: Наука, 1972. - С. 130 - 138.
