Влияние физико-химических свойств и влажности почв на их оптические характеристики

Изучение оптических характеристик антропогенно-преобразованных почв методом спектроскопии. Использование спектрального анализа для определения физико-химических свойств почв агрокатены Клинско-Дмитровской гряды, гумусовых почв Меньковской опытной станции.

Рубрика Сельское, лесное хозяйство и землепользование
Вид дипломная работа
Язык русский
Дата добавления 30.10.2017
Размер файла 988,2 K

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.Allbest.ru/

Правительство Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Санкт-Петербургский государственный университет

Институт наук о земле

Кафедра почвоведения и экологии почв

Магистерская диссертация

по направлению 021900 «Почвоведение»

Влияние физико-химических свойств и влажности почв на их оптические характеристики

Осипова Мария Николаевна

Научный руководитель:

д.г.н., проф. А.В. Русаков

Санкт-Петербург - 2016

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

1. Обзор литературы

1.1 Цвет - один из диагностических показателей почв

1.2 Основы изучения объектов методом спектроскопии в ближней инфракрасной области (БИК)

1.3 Анализ почвы на БИК-спектрометре

1.4 Определение окраски почв в цветовом пространстве CIE-L*a*b*

2. Объекты и методы исследования

2.1 Объекты исследования

2.2 Агрокатена Клинско-Дмитровской гряды

2.3 Гумусовые горизонты почв стационарного полевого опыта в Меньковском филиале ФГБНУ АФИ

2.4 Методы исследования

3. Результаты и обсуждение

3.1 Физико-химические свойства почв агрокатены Клинско-Дмитровской гряды

3.2 Физико-химические свойства гумусовых горизонтов почв Меньковской опытной станции

3.3 Характеристика оптических свойств исследуемых объектов

3.3.1 Колориметрическая характеристика объектов в системе CIE-L*a*b*

3.3.2 Характеристика объектов в БИК области спектра

3.3.3 Характеристика объектов в видимой и БИК области спектра

4. Обсуждение

Выводы

Литература

Приложение

Таблица 1. Плотность твердой фазы почвы опорных разрезов агрокатены Клинско-Дмитровской гряды

Таблица 2. Гранулометрический состав и плотность твердой фазы верхних гумусовых горизонтов, отобранных на Меньковской опытной станции

Таблица 3. Гранулометрический состав почв опорных разрезов агрокатены Клинско-Дмитровской гряды

Таблица 4. Физико-химическая характеристика образцов верхних гумусовых горизонтов, отобранных на Меньковской опытной станции

Таблица 5. рН почв опорных разрезов агрокатены Клинско-Дмитровской гряды

Таблица 6. Емкость катионного обмена почв опорных разрезов агрокатены Клинско-Дмитровской гряды

Таблица 7. Содержание углерода органического вещества в почвах опорных разрезов Клинско-Дмитровской гряды

Таблица 8. Групповой и фракционный состав гумуса по данным пирофосфатной вытяжки в почвах опорных разрезов агрокатены Клинско-Дмитровской гряды

Таблица 9. Групповой и фракционный состав гумуса в образах почв, отобранных на Меньковской опытной станции

Таблица 10. Гидролитическая кислотность почв опорных разрезов агрокатены Клинско-Дмитровской гряды

Таблица 11. Содержание обменных кальция, магния в почвах опорных разрезов агрокатены Клинско-Дмитровской гряды

ВВЕДЕНИЕ

Оптимизация сельскохозяйственного производства и адаптация сельскохозяйственных культур к неблагоприятным погодным условиям требует применения современных методов дистанционного исследования для состояния почв и посевов. В связи с этим перспективными приемами мониторинга посевов являются методы, основанные на выявлении зависимости цвета почв от их физико-химических показателей, выявление закономерностей с последующей корректировкой внесения удобрений в системе точного земледелия.

Почвы, как природное естественно-историческое тело обладают рядом свойств, обусловленных как компонентами, входящими в них в качестве основных источников происхождения (материнская порода), так и специфических образований, в том числе подверженных динамической трансформации (гумус, закисные и окисные формы железа, марганца, легко трансформируемые минералы). В силу этого почвы имеют способность избирательно поглощать, отражать и рассеивать световое излучение определенных длин волн. Одной из фундаментальных характеристик почв является способность избирательно поглощать, отражать и рассеивать световое излучение определенной длины волны, зависящее от химического состава и строения, агрегатного состояния объектов.

Одним из инструментальных методов изучения свойств почв являются оптические или спектральные. В настоящее время существует множество таких методов изучения оптических характеристик природных объектов (полевые, лабораторные, дистанционно-аэрокосмические средства).

Данные характеристики могут быть применены для оценки плодородия почв, их диагностики, выявления корреляционных связей между качественными и количественными характеристиками и оптическими свойствами.

Почвы, как и другие объекты способны избирательно поглощать, отражать и рассеивать световое излучение в видимом и БИК и ИК диапазонах. Важное значение имеет выявление связей между составом и свойствами почв и их спектральной отражательной способностью (спектральный состав отражаемых ими излучений). Нахождение этих связей является одним из количественных методов характеристики почв, интерпретации процессов трансформации, в том числе деградации их.

Актуальность данной работы в изучении возможностей спектрального анализа почв для оперативной оценки их свойств, создании автоматизированной базы данных спектров, коррелирующих с физическими, химическими, физико-химическими характеристиками или качественными характеристиками почв впоследствии позволит использовать их для дешифрирования данных, получаемых с использованием геоинформационных систем, выделения неоднородности почвенного покрова и пространственно-дифференцированного применения удобрений, проведения агротехнических мероприятий, наполнения геоинформационных систем, выделения пестроты структуры почвенного покрова. Актуальным является совершенствование существующих методов дистанционных исследований почв, интерпретации и использования данных.

Цель работы: изучение взаимосвязи основных физических, физико-химических и химических свойств почв с их оптическими характеристиками.

В соответствии с целью были поставлены следующие задачи:

1. Изучение физических, химических и физико-химических свойств антропогенно-преобразованных почв, определяющих их оптические свойства.

2. Изучение оптических свойств исследованных почв различными спектральными методами и для установления их зависимости от основных физико-химических свойств.

3. Выявление связи оптических характеристик почв, полученными различными спектральными методами с их физическими, химическими и физико-химическими свойствами и влажностью.

1. Обзор литературы

1.1 Цвет - один из основных диагностических показателей почв

Значение такого показателя, как цвет почв, для характеристики ее свойств, было описано еще Василием Васильевичем Докучаевым (Докучаев, 1952). В своей монографии «Русский чернозём» он отмечал, что при сравнении почв по цвету, нужно обращать внимание на такие особенности, как генезис, главнейшие минеральные части, содержание гумуса, окраску материнской породы, и сравнение должно происходить между образцами почв однообразно измельчёнными, а также высушенными до воздушно-сухого состояния.

Цвет - это свойство тела оказывать на зрительный аппарат человека характерное воздействие, которое зависит от интенсивности и спектрального состава отражаемого, а также испускаемого излучения (Карманов, 1974).

Как известно, физическая основа цвета любых тел - это способность этих тел избирательно поглощать, а также отражать фотоны определенной энергии.

Цвет почвы измеряется несколькими способами:

• Визуально. Сравнение данного образца почвы с эталонным цветом почвы (например, атлас цветов почв Манселла).

• Инструментально (например, с помощью спектрометров и спектрофотометров). Определение спектрального состава и интенсивности излучений, отражаемых почвой, количественное выражение полученных данных.

При визуальном излучении цвет может быть охарактеризован тремя такими важными параметрами, как светлота, тон и насыщенность.

Светлота зависит от общей величины отражения света данным телом. Цветовой тон зависит от того, лучи каких длин волн преобладают в данном отраженном свете. Насыщенность показывает степень преобладания одних излучений над другими (Карманов, 1974).

1.2 Основы изучения объектов методом спектроскопии в ближней инфракрасной области (БИК)

Изучение объектов методами ближней инфракрасной спектрометрии является перспективной и развивающейся областью в науке и практике.

Внедрение такого вида спектрометрии в аналитическую практику было положено в 1968 году Карлом Норрисом в Научно-исследовательском сельскохозяйственном центре (Бествиль, США). Он разработал прибор для определения содержания белков, жиров и влаги в бобах сои. По сообщению Карла Норриса (Норрис, 1989), предоставив этот прибор производителям, они убедились в перспективности метода, и в дальнейшем это послужило основанием для разработки фирмами Dickey-john и Neotec Instruments 2-х модификаций данного прибора. Серийное производство этих приборов в США было начато в 1971 году. Применение их в элеваторах и в лабораториях зерновых комиссий США и Канады позволило решить проблему сплошного контроля качества зерна, которое поставлялось фермерами. Применение этого метода позволило значительно сократить затраты и стало экономически выгодным, поскольку в очень сжатые сроки удавалось получить данные о содержании белка в зерне.

В 1979 году метод был признан Американской ассоциацией по химии зерна (ААСС) как стандарт для определения содержания белка, а также влажности зерна пшеницы. После этого был рекомендован Международным обществом по химии зерна (ICC). В настоящее время данный метод признан многими странами для анализа зерна пшеницы.

В течение последних двадцати лет метод спектроскопии ближней инфракрасной области активно развивается и применяется в разных отраслях науки. Спектроскопия ближней инфракрасной области представляет собой современный эффективный инструментальный метод качественного и количественного анализа различных объектов. Данный метод основан на сочетании спектроскопии и статистических методов исследования многофакторных зависимостей. Метод широко применяется в сельском хозяйстве, например, для определения белка, жира и влаги в зернах различных сельскохозяйственных культур. Также данный метод находит своё применение в промышленности (определение состава нефтепродуктов), в медицине (для определения кислорода в крови, исследования развития опухолей). Стоит отметить, что спектрометрия ближней инфракрасной области становится одним из методов внутрипроизводственного контроля в фармацевтической промышленности в США и Европе. В том числе метод применим для определения состава и свойств почв.

Метод, основан на том, что спектры поглощения молекул являются показательными для данного вещества, а интенсивность поглощения связана с содержанием поглощающего компонента в облучаемом объекте. Это молекулярная спектроскопия, применяемая для определения состава объекта без разложения данного объекта, что обычно составляет суть химического анализа. Метод не требует сложной пробоподготовки, так как в основном заключается в высушивании и измельчении анализируемого материала( в данном случае почвы, просеянной через сито диаметром 1 мм.). Процесс инфракрасного анализа обычно сводится к заполнению кюветы исследуемым материалом в виде суспензии, порошка или раствора, установки ее в измерительную камеру прибора и затем получение результата в цифровом виде в нужных единицах измерения. При этом может быть установлено единовременно содержание ряда свойств исследуемого объекта, на определение которых заблаговременно был отградуирован прибор. В настоящее время существуют различные приборы, которые позволяют выполнять определения, как на стационарных станциях, так и в полевых условиях. Для этого были созданы переносные приборы на автономном питании от батареи (Крищенко, 1997).

Следует отметить, что измерительный прибор может быть отнесен от исследуемого объекта на довольно большие расстояния. При этом отбор образца можно не производить, поскольку излучение от прибора можно подвести к контролируемому объекту и получить его обратно после отражения или просвечивания.

Ближняя инфракрасная область находится в диапазоне длин волн от 750 нм до 2500 нм. Для практического применения в аналитических целях эта область имеет некоторые преимущества, по сравнению с длинноволновой частью инфракрасного области, в которой находятся фундаментальные частоты колебания молекул. Прежде всего, это большая проникающая способность излучения в данной области. В этой области почти прозрачны стекло и кварц, что облегчает проблему изготовления окон спектрофотометров, а также изготовления кювет.

В длинноволновой инфракрасной спектрометрии для этого используют галогениды металлов. Но так как эти материалы имеют высокую растворимость, возникают проблемы при анализе объектов, которые содержат много воды. Также стоит отметить, что вода интенсивно поглощает в фундаментальной области, соответственно возникают дополнительные трудности, которые не настолько важны при работе в ближней инфракрасной области. Здесь может быть применена волоконная оптика, измерение пропускания при достаточно большой толщине просвечиваемого объекта. А в длинноволновой инфракрасной спектроскопии для измерения поглощения применяют только очень тонкие пленки твердого материала или его разбавленные дисперсии в оптически индифферентных средах после очень тонкого измельчения. (Крищенко, 1997).

1.3 Анализ почвы на БИК-спектрометрах

Средняя область инфракрасного спектра применяется в основном в исследовательских целях для изучения природы гумусовых веществ и илистых фракций почвы. В целях количественного анализа ИК-спектроскопия в анализе почв используется редко ввиду сложности пробоподготовки. Намного проще измерять отражательную способность почв и интерпретировать в видимой области спектра. Практическое применение метод находит в лабораторных условиях и при дистанционном зондировании в аэрокосмических исследованиях. Но, стоит сказать, что точность определения гумуса по отражательной способности почв в видимой области достаточно мала ввиду наложения на поглощение гумуса и других, содержащихся в почве компонентов (к примеру, гидроокисей железа). Чаще всего этот метод является вспомогательным. При исследовании почв метод ИК-анализа стал находить применение только в последние годы.

Содержание влаги в почвах можно точно определить по полосам поглощения при 1400; 1900 и 2200 нм. (Bowers S.A. and Hanks R.J., 1965). При данной влажности на отражательную способность почв влияет содержание органического вещества и глинистых частиц. С уменьшением размеров почвенных частиц коэффициент отражения возрастает экспоненциально.

Полос поглощения, принадлежащих органическому веществу, при детальном изучении спектров диффузного отражения почв, не было обнаружено (Krishnan P., Alexander J., и др., 1980). Хотя использование для градуировки в качестве независимой переменной отношения значения второй производной спектров при двух длинах волн позволяло проводить определение содержания гумуса. Более точные результаты давало уравнение, полученное для длин волн, расположенных в видимой области спектра (623,6 и 564,4 нм.) использование ближней ИК-области давало менее точные результаты. Ввиду полученных данных был сделан вывод, что спектры почв в ближней инфракрасной области несут меньше информации, чем в видимой области. Большая часть полос поглощения, наблюдается в БИК (ближней инфракрасной) области спектра, которые могут быть связаны с колебаниями атома водорода в молекулах веществ. Частота колебаний и длины волн поглощения зависят от того, с какими атомами связан атом Н+ и в каких связях он находится.

Следует отметить, что в последнее время применение спектрометрии диффузного рассеивания в ближней инфракрасной области спектра находит все большее применение для анализа природных и сельскохозяйственных объектов, таких как почвы, торф, органические удобрения, корма для животных. Этому способствует совершенствование методов пробоподготовки, интенсивное развитие измерительной техники, методов калибровки и средств обработки получаемых спектров. В частности для почв в современных лабораториях отработаны методы определения гумуса, общего азота, нефтепродуктов и некоторых других показателей. Важным достоинством данного метода является его экспрессность, хорошая воспроизводимость и сохранность образца (метод является неразрушающим).

1.4 Определение окраски почв в цветовом пространстве CIE-L*a*b

Цветовая модель CIE-L*a*b была создана еще в 1976 году как эталонная аппаратно-независимая модель.

Система представляет собой цветовое пространство (рисунок 1), в котором значение светлоты L* находится отдельно от значения хроматической составляющей (тон и насыщенность) и в почве величина данного показателя обратно зависит от содержания в почве темного хромофорного компонента - гумуса.

Рисунок 1. Представление цветового пространства в системе CIE-L*a*b

Значения показателя светлоты L* измеряются в интервале от 0 до 100, хроматическая составляющая а* и b* могут принимать значения как положительных, так и отрицательных величин. Составляющая а* отражает цвет в диапазоне от зеленого (-а*) до красного (+а*), составляющая b* отражает свет в диапазоне от синего (-b*) до желтого (+b*). ( Водяницкий, 2008; Barron, Torrent, 2002). Величина, показателя a* (красноты) прямо пропорциональна содержанию в почве красноцветного пигмента гематита. Величина показателя b*, который характеризует желтизну, прямо пропорциональна содержанию в почве желтоцветного пигмента гётита.

Оптическую систему CIE-L*а*b широко применяют для характеристики цвета при спектрометрическом анализе в лабораторных условиях, а также для оценки вклада отдельных пигментирующих составляющих при решении классификационный задач (Водяницкий 2006; Sanchez-Maranon, Soriano M и др., 1998; Sanchez-Maranon, Soriano M и др., 2004).

2. Объекты и методы исследования

2.1 Объекты исследования

Одной из наиболее важных задач в выполнении данной работы являлся подбор контрастных по ряду физических, физико-химических и химических свойств почвенных образцов для изучения их оптических характеристик и выявления закономерностей, описывающих взаимосвязь изучаемых характеристик с рядом оптических и спектральных характеристик. Как правило, коллекция образцов должна соответствовать следующим критериям:

- образцы сходны по происхождению, строению, физическим свойствам, но разные по какому-либо одному или нескольким параметрам химического состава;

- коллекция должна включать максимально широкий диапазон значений химического показателя - от минимального до максимального с равномерным распределением значений во всем диапазоне.

Для решения поставленных задач были выбраны следующие объекты исследования:

• Агрокатена Клинско - Дмитровской гряды, входящей в состав Смоленско-Московской возвышенности (8 км на запад от г. Дмитрова). Исследованные антропогенно-преобразованные почвы относятся к типам: агродерново-подзолистые, агроземы,агроабразёмы, стратоземы, торфоземы..

• Образцы верхних гумусовых горизонтов почв, отобранные на стационарном полевом опыте в Меньковском филиале ФГБНУ АФИ. Образцы отличаются по степени окультуренности, искусственно созданной за счет внесения различных доз органических и минеральных удобрений.

2.2 Агрокатена Клинско-Дмитровской гряды

Изученная агрокатена склона северной экспозиции Клинско-Дмитровской гряды показывает четкую ярусность рельефа, на которой сформированы поверхности с абсолютными отметками 130-140 м (I ярус рельефа), 145-160 м (II ярус), 165-170 м (III ярус), 180-190 м (IV ярус) и >220 м (V ярус). Поверхности приведенных геоморфологических уровней отделены друг от друга достаточно пологими, но четко выраженными в рельефе уступами.

I ярус отделен от древнеозерного расширения долины Яхромы уступом в 5-7 м, III ярус рельефа - хорошо выраженным уступом в 10-15 м от водораздельных пространств гряды (IV ярус) (рис. 2).

Рисунок 2. Расположение опорных разрезов по ярусам рельефа в пределах склона северной экспозиции Клинско-Дмитровской гряды

В качестве объектов исследования были взяты образцы из опорных почвенных разрезов, приуроченных к сопряженным геоморфологическим уровням (ярусам) рельефа. На данном участке было заложено 12 опорных разрезов. Из них, для выполнения данной работы, использованы образцы из 8 разрезов в количестве 61 образец (разрезы 2М-04, 3М-04, 4М-05, 5М-05, 6М-06, 7М-06, 8М-06, 10М-06). Описание опорных разрезов и их классификационное положение приводится в таблице 1.

Таблица 1

Почвы опорных разрезов склона северной экспозиции Клинско-Дмитровской гряды и их классификационное положение

Ярус а.о., м

№ разреза

Система горизонтов

Глубина горизонтов

Название почвы

Почвообразующая порода

1

2

3

4

5

6

I. 130-140

7М-06

Р1

0-35

агрозем светлый типичный глубокопахотный глубоко оглеенный супесчаный

озерно-ледниковые супеси, подстилаемые озерно-ледниковой глиной

Р2

35-45

С1

45-54

С2

54-105

С3

105-120

Dg

120-150

1

2

3

4

5

6

I. 130-140

5М-05

Р1

0-35

агрозем светлый типичный глубокопахотный супесчаный

озерно-ледниковые супеси, подстилаемые озерно-ледниковой глиной

Р2

35-40

С1

40-64

С2

64-75

прослой

64-73

С3

75-90

D1

90-107

D2

107-136

D3

136-160

I. 130-140

8М-06

Р

0-30

агростратозем гумусовый среднепахотный супесчаный на погребенном дерново-подзоле иллювиально-железистом супесчаном

озерно-ледниковые супеси, подстилаемые бескарбонатными покровными суглинками

RY

30-43

[AY]

43-55

[Е]

55-67

[BF]

67-95

[BC]

95-137

D1

137-150

D2

150-160

II. 145-160

3М-04

РВrh

0-28

агроабразем гумусово-стратифициро-ванный глубоко-пахотный глубоко оглеенный супесчаный

озерно-ледниковые супеси, подстилаемые бескарбонатными покровными суглинками

РС

28-38

С

38-54

CD

54-68

D1t

68-79

D2t

79-98

D3tg

98-131

D4tg

131-152

II. 145-160

6М-06

Р

0-29

агродерново-глубоко-подзолистая типичная среднепахотная легкосуглинистая

бескарбонатные покровные суглинки

ВЕL

29-58

ВT

58-78

ВСt

78-105

Сt

105-120

III. 165-170

2М-04

Р

0-35

агродерново-глубоко-подзолистая глубокопахотная глубоко оглеенная супесчаная

бескарбонатные покровные суглинки

EL

35-48

BEL

48-63

ВТ1

63-85

ВТ2

85-98

BTe

98-115

BC1g

115-136

BC2g

136-150

BC3g

150-160

IV. 180-190

4М-05

Р

0-25

агродерново-неглубоко-подзолистая типичная среднепахотная легкосуглинистая

бескарбонатные покровные суглинки

ВЕL

25-35

ВТ1

35-74

ВТ2

74-96

ВТ3

96-122

ВС

122-135

IV. 180-190

10М-07

Р1

0-32

агрозем текстурно-дифференциро-ванный типичный глубокопахотный глубоко оглеенный легкосуглинистый

бескарбонатные покровные суглинки

Р2(древ.)

37-44

Bte

32-55

ВТ

55-90

ВС

90-140

Cg

140-160

На литолого-геоморфологическом профиле склона северной экспозиции Клинско-Дмитровской гряды опорные почвенные разрезы располагаются следующим образом (рис. 3):

Исследованная агрокатена Клинско-Дмитровской гряды, входящей в состав Смоленско-Московской возвышенности, сопряжена с древнеозерным расширением долины р. Яхрома, входящей в Верхне-Волжскую низину (8 км на запад от г. Дмитрова), и имеет протяженность 4 км. Изученная территория ранее была подвержена интенсивному антропогенному воздействию: история пашенного земледелия насчитывает здесь не менее 1000 лет (Русаков и др., 2007).

Рисунок 3. Литолого-геоморфологический профиль склона северной экспозиции Клинско-Дмитровской гряды, сопряженный с Верхне-Волжской низиной

Цифрами в пределах профиля обозначены абсолютные отметки поверхности. Условные обозначения: 1 - бескарбонатные покровные суглинки; 2 - бескарбонатные покровные слоистые суглинки; 3 - озерно-ледниковые пески и супеси; 4 - озерно-ледниковые глины; 5 - низинные торфяники; 6 - опорные почвенные разрезы, заложенные в пределах агрокатены и их номера.

Разрезы 7М-06, 5М-05 приурочены к I ярусу, разрезы 8М-06, 3М-04, 6М-06 - ко II ярусу, на III ярусе был заложен разрез 2М-04, на IV ярусе - 4М-05, 10М-07, на V ярусе - 11М-08, а в Верхне-Волжской низине - 12М-10, 13М-10 и 14М-10.

Исследованные почвы относятся к растительному району еловых лесов (с примесью растительности широколиственного леса) (Алехин, 1947).

Изученные почвы принадлежат Дмитровскому административному району. При агроклиматическом районировании Московской области Дмитровский район относят к первому району - менее теплому (сумма температур выше 10°С не более 1900°С) (Агроклиматический справочник..., 1954, Атлас Московской области, 1964).

Территория Московской области расположена в пределах двух ландшафтно-сельскохозяйственных зон (Карманов, Булгаков, 1997). В пределах дерново-подзолистой зоны выделяется Смоленско-Московская дерново-подзолистая ландшафтно-сельскохозяйственная подзона. В ней выделяются природно-сельскохозяйственных округа. Исследованная территория относится к Можайско-Загорскому округу. Солнечногорский ландшафтно-сельскохозяйственный район расположен в значительной части на Клинско-Дмитровской гряде (Почвы Московской области..., 2002).

2.3 Гумусовые горизонты почв стационарного полевого опыта в Меньковском филиале ФГБНУ АФИ

Объектами исследования служили почвы Меньковского филиала АФИ, на которых проводились эксперименты. (Рис. 4).

Рисунок 4. Аэрофотография полей Меньковской опытной станции, полученная с помощью квадрокоптера на фотоаппарат Canon G7x

Меньковский филиал Агрофизического НИИ находится в Гатчинском районе Ленинградской области. Территория располагается в окрестностях деревень Меньково и старое Колено (Голино). Центральная усадьба находится в деревне Меньково, в 18 км от г. Гатчины и в 60 км от г. Санкт-Петербурга.

Стационарный полевой опыт (Агрофизический стационар) по оценке уровня воспроизводства плодородия окультуренной почвы в системах удобрения разной интенсивности, был заложен на дерново-подзолистой легкосуглинистой почве в 2006 г. сотрудниками Меньковского. филиала Агрофизического института под руководством академика Россельхозакадемии В.А. Семенова. В течение 3-х предшествующих лет на участке было создано 3 парцеллы с различным уровнем окультуренности почв:

1. Средне окультуренная. Контроль - без внесения органических удобрений.

2. Хорошо окультуренная. (за 3 года с 2003 по 2005 гг. внесено 160 т/га-1 органических удобрений (по 80 т/га в 2003- 2004 гг.), 1 т/га - 1 извести (2005 г.));

3. Высокоокультуренная. (за 3 года внесено 520 т/га - 1 органических удобрений (160, 320 и 40 т в 2003, 2004 и 2005 гг., соответственно), 3 т/га - 1 извести в 2005 г.).

В схеме агрофизического стационара ведется два типа севооборота (во времени и в пространстве): полевой и овощной.

Севообороты на каждой из трех парцелл были заложены в 2006 году. Нами в работе исследовалось 18 образцов, верхних гумусовых горизонтов агродерново-неглубокопозолистой легкосуглинистой крупнопылевато-песчаной почвы (глубина отбора образцов 0-20 см), отобранных в 2014 году на данных участках (по 9 образцов почв из каждого севооборота).

Дополнительным фактором исследования данных почв служит минеральная система удобрений, которая направлена на регулирование питания сельскохозяйственных культур в соответствии с их различными биологическими особенностями и разными уровнями интенсивности технологий, по которым они возделываются. Таким образом, на каждые из трех парцелл провели внесение минеральных удобрений в трех дозах: нулевой, оптимальной и повышенной.

В 2014 году в полевом севообороте выращивался люпин узколистный. Внесенные дозы удобрений под данную культуру представлены в таблице 2.

Таблица 2

Дозы удобрений, внесенные на участке полевого севооборота на почвах разной степени окультуренности под Люпин узколистный в 2014 г.

Дозы удобрений, кг д.в./га

2014, подкормка

Среднеокультуренная почва

Контроль-0

N80P80K80

N120P120K120

Хорошоокультуренная почва

Контроль-0

N80P80K80

N120P120K120

Высокоокультуренная почва

Контроль-0

N80P80K80

N120P120K120

В овощном севообороте выращивались многолетние травы второго года пользования в качестве предшественника под свеклу столовую. Дозы удобрений, внесенных на этот участок, представлены в таблице 3.

Таблица 3

Дозы удобрений, внесенные на участке овощного севооборота на почвах разной степени окультуренности под многолетние травы второго года пользования в 2014 г.

Дозы удобрений, кг д.в./га

2014

подкормка

Среднеокультуренная почва

Контроль-0

N20P20K20

N40P40K40

Хорошоокультуренная почва

Контроль-0

N20P20K20

N40P40K40

Высокоокультуренная почва

Контроль-0

N20P20K20

N40P40K40

2.4 Методы исследования

Для данной работы были выполнены следующие исследования:

• Определение физических, химических и физико-химических свойств почв.

• Определение оптических свойств почв.

Определение физических, химических и физико-химических свойств почв проводилось стандартизованными методами по государственным стандартам (ГОСТ) в аккредитованной лаборатории и по специализированным методикам для отдельных показателей.

Во всех образцах определение гранулометрического состава проводилось методом пипетки с диспергацией почвы пирофосфатом натрия.

Определение углерода органического вещества проводилось по методу И.В. Тюрина, определения группового и фракционного состава органического вещества почвы методом Пономаревой-Плотниковой.

Определение емкости катионного обмена проводилось методом Бобко-Аскинази-Алёшина в модификации ЦИНАО (ГОСТ 17.4.4.01-84 от 01.04.1985 г.), основанном на вытеснении обменных катионов почвы ионом бария. Определение обменных ионов кальция и магния путем вытеснения их из почвы раствором хлорида натрия. Гидролитическую кислотность определяли по методу Каппена в модификации ЦИНАО (ГОСТ 26212-91 от 01.07.1993 г.) при обработке почвы уксуснокислым натрием (гидролитически щелочной солью).

Определение рН солевого и водного раствора производилось потенциометрически на рН-метре; определение плотности твердой фазы почвы с помощью пикнометра.

В образцах Клинско-Дмитровской гряды определение состава органического вещества почвы пирофосфатным методом по Кононовой-Бельчиковой, определение гигроскопической влаги проводилось термостатно-весовым методом, определение органического азота выполнено методом Кьельдаля, определение подвижных форм фосфора методом Кирсанова, определение подвижных и обменных форм калия пламенно-фотометрическим методом. Обменная кислотность измерялась путем обработки почвы раствором нейтральной соли, плотности сложения почвы путем определения объема агрегатов при их погружении в песок.

Определение оптических свойств:

• Определение окраски почвы в системе CIE-L*a*b*.

Для определения цвета по данной шкале получали цифровые изображения образцов почвы с помощью фотоаппарата СanonG7x. Полученные фотоснимки обрабатывали в программе ACDseePro7. Обработка включала кадрирование снимков и выравнивание их по числу пикселей. Далее в программе Adobe Photoshop СS5 регистрировали значения параметров L*, a*, b* в системе CIE-L*a*b*. Полученные значения для пикселей снимка усреднялись и выполнялась статистическая обработка.

Для фотографирования почвенные образцы высушивали до воздушно-сухого состояния и просеивали через сито с диаметром ячеек 1мм.

Съемку производили фотоаппаратом Canon G7x с расстояния 60 см. от образца. Опыт проводился при искусственном освещении в закрытом помещении. Для освещения образцов использовали лампы накаливания, направленные на отображатель для более равномерного распределения света, падающего на образец. Съемку проводили без вспышки. Фотоаппарат помещался на штатив таким образом, чтобы на образец не попадала тень от штатива или других объектов.

1. Определение инфракрасных характеристик почв проводилось на ИК-анализаторе СПЕКТРАН 119М при длинах волн от 1400 нм до 2400 нм (в соответствии с инструкцией по пользованию прибором).

2. Определение оптических характеристик почв с помощью прибора Ocean Optics.

Спектры радиации, отраженной от поверхности почвы, регистрировали с помощью миниатюрной оптоволоконной спектрорадиометрической системы фирмы Ocean Optics (США), которая обеспечивает оптическое разрешение 0.065 нм.

Данная система включает 4 основных элемента: спектрометр HR2000, специальное программное обеспечение для спектроскопии SpectraSuite, эталонный вольфрам-галогеновый источник света (LS-1) и оптические аксессуары для проведения измерений, основные из которых оптоволоконные зонд отражения/обратного рассеяния R200-7-UV-VIS и интегрирующая сфера FOIS-1, изготовленная из спектралона - материала, отражающего 99% падающей радиации в измеряемом диапазоне длин волн.

Данные, запрограммированные на чип-карте памяти спектрометра, содержат коэффициенты калибровки длины волны, коэффициенты линейности и индивидуальный серийный номер прибора. Программное обеспечение считывает эти значения из памяти спектрометра, что позволяет проводить корректировку калибровки перед каждой серией измерений и осуществлять моментальный обмен данными между спектрометром и компьютером.

Спектры отражения регистрировали в диапазоне от 400 до 1100 нм с шагом 0.3 нм. Перед измерениями образцов почвы записывали спектр отражения эталона (WS-1), изготовленного из спектралона. На экран компьютера выводится спектр отражения объекта (почва) в процентах к отражению эталона, который может быть сохранен в виде цифрового файла и перенесен, например, в программу Excel для дальнейшей обработки и проведения необходимых расчетов.

3. Результаты и обсуждение

3.1. Физико-химические свойства почв агрокатены Клинско-Дмитровской гряды

Плотность твёрдой фазы определяется минералогическим составом почвы и содержанием в ней органического вещества. В профилях исследуемых почв наблюдается увеличение данного показателя от верхнего горизонта к нижнему. Это связано, по-видимому, с увеличением содержания оксидов алюминия, кремния, а также глинистых минералов. В подстилающих горизонты породах значительно увеличивается содержание глинистых минералов (с = 2,6 г/см3) (Приложение, таблица 1).

Верхние супесчаные горизонты характеризуются значением плотности твердой фазы почвы, которая варьирует в пределах от 2,22 до 2,35 г/см3 (р. 7М-06, 5М-05, 8М-06, 2М-04, сформированные на двучленных отложениях, верхняя часть которых является супесью). Верхние горизонты разреза 3М-04 (агроабразем гумусово-стратифицированный) отличаются высокими значениями плотности твердой фазы почвы (гор. РС - 2,52 г/см3). Это может быть связано с вовлечение в распашку минеральной массы.

По результатам гранулометрического анализа верхняя толща (мощность 105-150 см.) разрезов 7М-06 и 5М-05 представлена крупнопылевато-мелкопесчаными супесями, а нижняя толща песчано-иловатыми глинами. В разрезе 2М-04 (агродерново-глубоко-подзолистая почва на бескарбонатных лессовидных суглинках) верхняя элювиальная толща разреза (0-48 см) имеет супесчаный гранулометрический состав (заиленная супесь). Также в нижней толще разреза наблюдается утяжеление состава с преобладанием фракции крупной пыли и ила (песчано-иловатые глины). Данная почва имеет крупнопылевато-песчаный гранулометрический состав. В разрезе 10М-07, агрозём текстурно-дифференцированный на слоистых бескарбонатных лессовидных суглинках, хорошо выражена горизонтальная слоистость профиля, начиная с гор. ВТ 55(62) см. Выделяются палевые легкосуглинистые слои мощностью 1,5-2,0 см, которые чередуются со среднесуглинистыми бурыми слоями большей мощности (5-7 см). По гранулометрическому составу почва легкосуглинистая крупнопылеватая-песчаная. Агроабразем гумусово-стратифицированный (разр. 3М-04), развитый на двучлене, характеризуется супесчаным крупно-пылевато-песчаным гранулометрическим составом. Агродерново-глубокоподзолистая почва (разр. 6М-06), сформированная на бескарбонатных лессовидных суглинках, по данным гранулометрического анализа - легкосуглинистая крупнопылевато-песчаная. Агродерново-неглубокоподзолистая почва на бескарбонатных лессовидных суглинках (разр. 4М-05), по гранулометрическому составу песчано-крупнопылеватая. Агростратозем на погребенной почве (разр. 8М-06) характеризуется супесчаным крупнопылевато-песчаным гранулометрическим составом приложение, таблица 3).

Верхние горизонты почв агрокатены Клинско-Дмитровской гряды характеризуются как слабощелочные (р. 2М-04 - агродерново-подзолистая почва), нейтральные (р. 7М-06, 5М-05 - агроземы светлые, 10М-07 - агрозем текстурно-дифференцированный), слабокислые (р. 3М-04, 6М-06, 4М-05), кислые (р. 8М-06). (приложение, таблица 5). Нижние горизонты являются кислыми (слабокислыми). Высокие значения рH свидетельствуют о том, что в почву вносились в достаточном количестве известковые удобрения.

Высокие значения ёмкости катионного обмена наблюдаются в пахотных горизонтах всех образцов. По всему профилю прослеживается корреляция показателя ЕКО, связанная с органическим веществом. В пахотных горизонтах содержание органического вещества максимально. К нижним горизонтам величина ЕКО возрастает из-за утяжеления гранулометрического состава (приложение, таблица 6).

По результатам исследования содержания гумуса по методу Тюрина почвы агрокатены Клинско-Дмитровской гряды характеризуются низким содержанием гумуса (от 2 до 4%)(приложение, таблица 7). Наибольшее содержание углерода органического вещества в верхних пахотных горизонтах (3,7%), наблюдается в гор. РBrh (0-28 см) разреза 3М-04 (агроабразем гумусово-стратифицированный). Это может быть связано с включением обогащенного органическим веществом аллохтонного материала, включенного в пахотный горизонт.

В р. 8М-06 (агростратозем гумусовый на погребенном дерново-подзоле иллювиально-железистом) прослеживается увеличение гумуса в погребенном горизонте [АY] (45-57 см) - 1,3% (что является характерным для дерново-подзолов Московской области - содержат не более 2% гумуса (Почвы Московской области..., 2002), на фоне вышележащего горизонта RY (0,6%).

Данные группового анализа органического вещества почв, определяемые методом Кононовой-Бельчиковой позволяют оценить фракционный состав гумуса в р. 7М-06, 8М-06, 10М-06.

В органогенных горизонтах этих разрезов преобладает 1 фракция, которая связана с оксидами Fе и Аl, что характерно для подзолов (р. 8М-06 гор. Р (0-30 см): ГК+ФК 1 фр. - 0,62%; ГК+ФК 2 фр. - 0,02%) (приложение, таблица 8).

В верхних пахотных горизонтах разрезов 8М-06, 7М-06, 10М-07, содержание ГК преобладает над содержанием ФК. Это связано, по-видимому, с высоким содержанием кальция (выводы подтверждаются аналитическими данными определения обменного Са).

Отношение ГК и ФК дает представление о разных типах гумуса в горизонтах р. 8М-06 (агростратозем гумусовый на погребенном дерново-подзоле):

Р - фульватно-гуматный;

RY - гуматно-фульватный; [АY] - гуматный.

Следовательно, в погребенном горизонте наблюдается сохранность химических свойств.

3.2 Физико-химические свойства гумусовых горизонтов почв Меньковской опытной станции

Почвы полевого севооборота характеризуется слабокислой и нейтральной реакцией среды с показателями 5,1 рН на участке средней окультуренности с 1 вариантом удобрения и 6,7 рН на участке высокоокультуренном, с 1 и 2 вариантами удобрений. Почвы овощного севооборота обладают нейтральной и близко к нейтральной реакцией среды, слабокислая реакция рН определена на участке средней окультуренности во 2 варианте удобрений - 5,6 и во 2 варианте удобрений хорошо окультуренных почв - 5,8. В целом, на этом ключевом участке реакция среды имеет значения от 6,0 до 6,4 (приложение, таблица 4).

Ёмкость катионного обмена характеризует поглотительную способность почв и является одним из показателей плодородия почв. Наиболее низкими показателями ЕКО являются почвы средней окультуренности на полевом севообор во 2-ом варианте удобрений 16 ммоль/100 г, в 1-ом и 3-ом варианте ЕКО - 18 ммоль/100 г На хорошоокультуренном участке ЕКО выше, от 19 до 22 ммоль/100 г В высокоокультуренном участке почвы обладают более высокими показателями ЕКО: минимальные показатели 18 ммоль/100 г для 1 варианта удобрений, 20 ммоль/100г для 3-го варианта удобрений, 24 ммоль/100 г - для 2-го варианта удобрений.

В отличие от почв полевого севооборота овощной севооборот, в целом, обладает более высокими показателями ЕКО. При более детальном анализе низкими показателями ЕКО обладают почвы среднеокультуренного участка 17-18 ммоль/100 г, хорошо окультуренные почвы имеют средний показатель ЕКО - 20-24 ммоль/100 г, высоко окультуренные почвы обладают средним показателем - 22 ммоль/100 г (приложение, таблица 4).

Сравнивая результаты обменных оснований Ca и Mg в исследуемых двух ключевых участках можно обобщить, что среднеокультуренные участки обладают более низким содержанием катионных обменных оснований Ca и Mg. Наиболее низкими показателями обладает среднеокультуренный участок полевого севооборота с 1 вариантом удобрений 3,75 ммоль/100 г и 4,75 ммоль/100 г в почвах 1-го и 2-го вариантах удобрений среднеокультуренного участка овощного севооборота. Наиболее высокие показатели содержания катионных обменных оснований Ca и Mg показывают почвы на высокоокультуренных участках: полевой севооборот - 6,37 ммоль/100 г во 2-ом варианте удобрений, 7,0 ммоль/100 г в 3-ем варианте удобрений; овощной севооборот - 6,37 ммоль/100 г на 2-ом и 3-ем вариантах удобрений и 6,75 в 1-м варианте удобрений (приложение, таблица 4).

Содержание гумуса на ключевых участках отличается также от степени их окультуренности. На почвах полевого севооборота минимальными показателями характеризуются среднеокультуренные почвы 2,1% -2,6%, на почвах овощного севооборота от 2,2% до 3,1%. На хорошо окультуренных почвах содержание гумуса выше: на полевом ключевом участке - от 3,5% до 3,8%, на овощном - от 4,1% до 5,0%. Высокоокультуренные почвы имеют наиболее высокое содержание гумуса среди исследуемых почв. Ключевой участок полевого севооборота имеет пониженное содержание гумуса, по сравнению с овощным ключевым участком 4,7% на высокоокультуренном участке со 2 м вариантом удобрения и 5,5% гумуса на высокоокультуренном 1-го варианта удобрений, соответственно (приложение, таблица 4).

Анализ полученных результатов по физико-химическим характеристикам почв исследуемых участков позволяет сделать обобщенный анализ. Наилучшими показателями для оценки плодородия почв являются выскоокультуренные почвы овощного и полевого севооборотов.

Данные, полученные в ходе исследования группового-фракционного состава органического вещества методом Пономаревой-Плотниковой, позволяют оценить тип гумуса данных горизонтов почв. В горизонтах преобладает 1 фракция ГК и ФК, связанная с подвижными оксидами Fе и Аl. Данный показатель характерен для типа подзолистых почв, так как в почвах слабокислых элювиальных ландшафтов преобладают фракции свободных или связанных с подвижными оксидами ГВ. (приложение таблица 9). Гуматы кальция (фракция 2) в естественных подзолистых почвах почти не образуются из-за низкой концентрации кальция в почвенном растворе и слабокислой реакции среды. Известно, что на групповой и фракционный состав гумуса существенно влияют известкование, минеральные удобрения, мелиоративные и агротехнические мероприятия. Это подтверждается сравнением полученных данных по групповому и фракционному составу почв, взятых за контроль, без внесения органических и минеральных удобрений в почв, где вносились минеральные и органические удобрения (рисунки 5 и 6).

Рисунок 5. Групповой-фракционный состав гумусовых горизонтов полевого севооборота

Рисунок 6. Групповой-фракционный состав гумусовых горизонтов овощного севооборота

Отношение гуминовых кислот к фульвокислотам дает представление о разных типах гумуса в горизонтах. В образцах полевого и овощного севооброта преобладает гуматно-фульватный тип гумуса (отношение гуминовых и фульвокислот от 0,5 до 1) (приложение, таблица 9)

По данным гранулометрического анализа в гумусовых горизонтах резко преобладает песчаная фракция с доминированием мелкого песка. Крупный и средний песок имеет подчиненное положение. Содержание ила (11-13%) имеет неподчиненное положение. Мелкая и средняя пыль имеет подчиненное положение и во всех фракциях имеет минимальное процентное содержание (приложение, таблица 2).

Данные гранулометрического состава показывают сходную картину площадного расположения фракций в пределах гумусового горизонта, что позволяет заключить об отсутствии микропестроты почвенного покрова и свидетельствует о принадлежности почвы к единому элементарному почвенному сельскохозяйственному ареалу. Таким образом, наши данные показывают сходство литогенной основы.

3.3 Характеристика оптических свойств исследованных объектов

3.3.1 Характеристика объектов в системе CIE-L*a*b*

Для изучения связи между колориметрическими и химическими характеристиками почв были рассчитаны коэффициенты корреляции между параметрами L*, a* b*, процентным содержанием гумуса, обменным кальцием и магнием и общим содержанием углерода органического вещества.

В таблице 3 представлены результаты определения колориметрических характеристик почв (L*, a*, b*), представленные в системе координат Международной системы CIE-L*a*b* в гумусовых горизонтах Меньковского филиала ФГБНУ АФИ и содержание общего углерода, гумуса и обменных кальция и магния. В таблице 4 приведены значения коэффициентов корреляции колориметрических и физико-химических характеристик почв.

.

Таблица 3

Колориметрические и физико-химические характеристики гумусовых горизонтов почв полевого севооборота

Окультуренность

Вар. удобрений

L*

a*

b*

Гумус, %

Са


Подобные документы

Работы в архивах красиво оформлены согласно требованиям ВУЗов и содержат рисунки, диаграммы, формулы и т.д.
PPT, PPTX и PDF-файлы представлены только в архивах.
Рекомендуем скачать работу.