Обґрунтування агроекологічної відповідності моделей ґрунтової родючості та її факторів вимогам польових культур

Тіснота зв'язку між рівноважною щільністю (с) та вмістом гумусу (С) в ґрунтах зонально-генетичного ряду України, зокрема, в досліджуваній його частині, є високою, з коефіцієнтом кореляції rС=0.991, а відповідне рівняння регресії є:

с(С)=С/(-0.44557+0.92831·С) (3.1)

яке справедливе для вмісту гумусу від 1% до 6%. Високе значення коефіцієнту rС цієї залежності вказує на чіткий і однозначний зв'язок між відношенням вмісту гумусу до рівноважної щільності (С/) і самим вмістом гумусу. Це ж рівняння вказує, що відношення

/Сd/dС

не є сталою величиною у всьому досліджуваному інтервалі вмісту гумусу. І справді, чисельне значення похідної

dс/dC=(А+ВС-ВС)/(А+ВС)2=А/(А+ВС)2,

де А=-0.44557, В=0.92831, залежить від конкретного вмісту гумусу С, що спричиняє неоднакову зміну показника при одній і тій самій зміні показника С, але в різних інтервалах. Так, якщо вміст гумусу зросте від 1 до 2%, то показник зменшиться (в г/см3) на 0.65; від 2 до 3% - на 0.13; від 3% до 4% - на 0.06; від 4% до 5% - на 0.03; від 5% до 6% - на 0.02. Зазначимо, що залежності х/-х підкоряється не тільки (С), а й (Ca2+обм), (Мg2+обм), (S), (V), (Ca2+обм/Mg2+обм) і з коефіцієнтами кореляції 0.675-0.998.

Чисельні значення коефіцієнтів В віднайденої залежності (табл. 3.1), вказують на те, що для ґрунтів дерново-підзолистого типу найбільш вагомими факторами по досягненню при їх окультуренні мінімальних значень рівноважної щільності є ступінь насиченості ґрунтів основами min=1/0,83284=1.20 та вміст гумусу - сmin=1/0,82942=1.21 (г/см3). Для сірих лісових ґрунтів такими факторами виступають сума та ступінь насиченості основами. Для каштанових солонцюватих ґрунтів і солонців каштанових найбільш вагомим фактором є підвищення вмісту гумусу, а також до певної міри зміна відношення обмінних форм катіонів на користь Са2+обм. Це ж стосується і чорноземів, для яких є актуальним збільшення ступеня насиченості основами, що стосується в першу чергу опідзолених.

Таблиця 3.1 Значення коефіцієнтів В залежності рівноважної щільності (по рівнянню 3.1) для різних факторних ознак досліджуваних ґрунтів

Висока тіснота зв'язку існує між результативною ознакою і вмістом обмінного Са2+ (rСа=-0.81). При виключеному впливі обмінного Са2+ тіснота зв'язку робиться слабкою, але залишається статистично доведеною (rС.Са=-0,39, tф=3,50, t001=2,65).

Тісно корелюють між собою вміст гумусу і обмінного Са2+ (rССа=0.83), в якому він переважно знаходиться в складі солей гумінових та фульвокислот, що складають основу органо-мінеральних компонентів ГПК. Разом з тим деяка кількість обмінного Са2+ входить до складу і мінеральних компонентів поглинного комплексу ґрунтів України, так як при виключеному впливі гумусу відповідний частинний коефіцієнт кореляції rСа.С=-0,45 залишається статистично значущим, хоча тіснота зв'язку при цьому слабшає і робиться помітною, зберігаючи характер зворотної залежності. Одержані результати узгоджуються з даними регресійного аналізу взаємозв'язків трьох ознак (С,Са2+) - коефіцієнт регресії b1 при вмісті гумусу є статистично значущим, як і частинний коефіцієнт кореляції rС.Са.

Характер зв'язку між і Мg залишається тим же самим, як і в попередньому випадку, але тіснота зв'язку при цьому вже не висока, а помітна - тут парний коефіцієнт кореляції rМg=-0.64. Менша тіснота зв'язку встановлена нами і між вмістом гумусу і вмістом обмінного Мg2+ (rСMg=0.57). Виключення гумусу обумовлює зменшення тісноти кореляційного зв'язку між і обмінним Мg2+ - вона з помітної переходить в помірну, а елімінування дії Мg2+ знижує тісноту зв'язку між і вмістом гумусу, яка переходить з високої у помітну (rMg.С=-0.38; rС.Mg=-0.69).Відповідно і коефіцієнти регресії b1 і b2 при гумусі і обмінному Мg2+ є статистично достовірними, а рівняння залежності рівноважної щільності від цих параметрів тут буде:

=1.5988-7.110·10-2(C)-1.520·10-2(Mg) (3.2)

Зауважимо, що рівняння (3.2) дозволяє передбачити, наскільки зміняться значення рівноважної щільності ґрунтів при зміні вмісту гумусу на 1%, або обмінного Мg2+ нa 1 ммоль-экв/100 г ґрунту. В першому випадку воно складе 0.0710.07 г/см3, а в другому - 0.0150.02 г/см3.

Сума обмінних основ S впливає на тісноту зв'язку між та S таким же чином, як і вміст гумусу - відповідні парні коефіцієнти кореляції фактично рівні між собою з числовим значенням -0.80 і -0.81. Mожна було б думати, виходячи з цього, що вміст гумусу та сума обмінних основ володіє такою ж тіснотою взаємозв'язку. Дійсно, rСS=-0.80. Зауважимо, що і в цьому випадку обидві факторні ознаки (С і S) також статистично значущо впливають на величину рівноважної щільності ґрунтів:

=1.566-4.710·10-2(С)-4.800·10-3S (3.3)

Залежність (3.2) може бути використана з тією ж метою, що і рівняння (3.2). За даними останнього рівняння побудована площина регресії, яка наочно показує закономірності зміни рівноважної щільності в залежності від коливань факторних ознак.

Коефіцієнти детермінації rСa2, rСa.C2, rMg2, rMg.C2 визначають частку варіабельності відповідної факторної ознаки в загальній мінливості рівноважної щільності ґрунтів . Так, ~66% варіабельності показника зумовлено вмістом обмінного кальцію, який входить у всі компоненти ГПК, тоді як тільки ~20% - в мінеральні, і ~46% (66-20) - в органічні і органо-мінеральні його компоненти. Для вмісту обмінного магнію відповідні цифри такі: ~41%, ~14%, ~27%. Таким чином, обмінний кальцій та магній мінеральних компонентів ГПК обумовлює варіацію показника в ~2 рази меншу інших їх обмінних форм.

Зіставляючи значення парних коефіцієнтів кореляції rСa=-0.81 і rMg=-0.64, можна було б думати, що обидві факторні ознаки - вміст Саобм2+ та Мgобм2+ - однаково впливають на величину рівноважної щільності ґрунтів - характер кореляційного зв'язку в обох випадках зворотний. Проте, беручи до уваги ту обставину, що при нейтралізації підвищеної кислотності можна використовувати або кальцій-, або магнійвмісні матеріали (меліоранти та добрива) і тим самим підтримувати на відносно постійному рівні градацію однієї з згаданих факторних ознак, вважаємо за необхідне звернутися до регресійного рівняння залежності рівноважної щільності від обговорюваних і регульованих факторних ознак:

=1.4950-9.400·10-3(Ca2+)+3.00·10-3(Mg2+) (3.4)

з якого видно, що на ущільнених ґрунтах більш доцільним є використання кальцієвмісних речовин, на відміну від розпушених, де раціональніше застосовувати магнієвмісні меліоранти.

Отже, одержані нами рівняння (3.2-3.4) особливі тим, що до них входять показники агрохімічних та фізико-хімічних властивостей ґрунтів, які безпосередньо характеризують ґрунтовий вбирний комплекс. Беручи до уваги достатньо велику прогностичну силу отриманих рівнянь, останні можуть бути використані в якості регресійних моделей рівноважної щільності досліджуваних ґрунтів.

4. Обґрунтування агроекологічної відповідності моделей ґрунтової родючості та її факторів вимогам польових культур

В даному розділі обґрунтовано положення, що для створення оптимальних умов росту і розвитку сільськогосподарських культур необхідно впливати на фактори родючості з метою приведення їх до оптимального інтервалу значень (П.К. Иванов, Л.И. Коробова, 1969; Т.Н. Кулаковская, 1978; В. Лархер, 1978; В.А. Семенов и др., 1980; Э.А. Бабарина и др., 1983; В.Ф. Вальков, 1986; С.М. Аксенов, Н.Н. Кузнецова, 1990; Удобрення польових культур при інтенсивних технологіях вирощування, 1990; Довідник з агрохім. та екологічного стану ґрунтiв України, 1994; В.І. Канівець та ін., 2000; В.Р. Черлінка, 2001). Детально описані фактори і показники, які визначають умови росту і розвитку рослин. Розглянуто вимоги польових культур до факторів життя.

Розроблена методика створення моделі родючості ґрунту. Для полегшення моделювання в загальному створені чітко алгоритмізовані схеми, які дають можливість побудувати модель стосовно визначених критеріїв (Я.Г. Неуймин, 1984). Взявши за основу схему Я.Г. Неуйміна, ми сформулювали проблему, яка полягає у створенні моделі ґрунтової родючості, що відповідає висунутим вимогам; означили кінцеву мету - здатність розробленої моделі прогнозувати стан родючості і його зміни та вибрали критерій якості - спроможність задовольняти мету з заданою точністю. У класифікації А.С. Фрида (1985) сформована модель належатиме до класу моделей стану родючості.

Оскільки моделі родючості на основі кореляційно-регресійного аналізу не враховують основних законів землеробства та агроекологічних вимог окремих видів культур, при створенні моделі ми пішли шляхом використання показника, що математично подібний до поширених бонітетних (С.Н. Тайчинов, 1966; В.П. Кузьмичев, 1970; Ф.Я. Гаврилюк, 1974; Н.Ф. Тюменцев, 1975; А.И. Серый, 1981, 1984, 1990; Т.Н. Кулаковская, В.Ю. Кнашис, И.М. Богдевич и др., 1984; Т.А. Гринченко, 1983; Гринченко А.М., 1984; Технические указания …, 1987; Экономическая оценка …, 1988; И.И. Карманов, 1990; Т.Н. Кулаковская, 1990; Т.А. Гринченко, Е.И. Григорьев, А.А. Егоршин и др., 1991).

З метою оцінки продукційної здатності в якості моделі родючості ми пропонуємо вираховувати узагальнений показник родючості ґрунту (УПРҐ). Для цього перетворені значення ознак усереднюються шляхом обчислень за допомогою формули гармонічного середнього, тобто:

УПРҐ=n/(x1-1+x2-1+…+xі-1-1+xі-1+…+xn-1)

де: n - кількість ознак, що включаються до обчислень; xі -пронормоване (перетворене) значення ознаки. Введений показник, на наш погляд, дозволяє більш об'єктивно оцінювати стан родючості ґрунту, що обумовлено наступними міркуваннями. Прослідкуємо залежність величини різних середніх (арифметичного, геометричного та гармонійного) від варіювання фактору Хn. Значення всіх решти факторів становить 100%, тобто дорівнює теоретичному оптимуму. Для кожного з середніх показників наведено три лінії, які показують форму залежності при 5, 10 та 15 факторах у досліді.

Функція у випадку середнього арифметичного є прямолінійною. Цей факт, на наш погляд, дозволяє заперечити її придатність для використання в якості моделі родючості, оскільки абсолютно не враховується закон мінімуму. В цій ситуації краще виглядає показник, запропонований Т.А.Грінченком та А.А. Єгоршиним (1983) - зведений показник якості ґрунту (ЗПЯГ), який математично відповідає середньому геометричному. Однак він теж не може бути в повній мірі використаний для моделі родючості, хоча формально й дає біопродуктивність рівну нулю при мінімумі обмежуючого фактора, але, на наш погляд, дещо “запізно” вступає в дію, про що свідчить форма кривої, яка не повною мірою описує закон сукупної дії факторів. Тому доцільно в якості моделі використати середнє гармонічне (УПРҐ), яке позбавлене згаданих недоліків, тобто враховує закони сукупної дії факторів та мінімуму.

В дисертаційній роботі показано, що найкращу відповідність закону сукупної дії факторів забезпечують лінії з n={8;12}. Коефіцієнти кореляції між значеннями точок на лінії закону сукупної дії факторів та точками на лініях, які акумулюють в собі 8-12 факторів, практично рівні між собою з числовим значенням 0.99. Отже, оптимальна кількість факторів, яка включається в модель родючості на основі УПРҐ повинна становити 8-12 основних, що забезпечує адекватний модельний опис досліджуваного явища, а саме - родючості ґрунту.

Наступним кроком після вибору форми моделі є приведення показників родючості ґрунту до співставимого між собою виду. Для цього їх, як правило, виражають в процентах від деякого еталонного ґрунту чи оптимального значення параметру (С.Н. Тайчинов, 1966; В.П. Кузьмичев, 1970; Ф.Я. Гаврилюк, 1974; Н.Ф. Тюменцев, 1975; Т.Н. Кулаковская, В.Ю. Кнашис, И.М. Богдевич и др., 1984; А.И. Серый, 1981, 1984; Технические указания …, 1987; Экономическая оценка..., 1988П.П.Крупкин, В.В.Топтыгин, 1999; Т.Н. Кулаковская, 1990). Недоліком даного методу є те, що не враховуються вимоги окремих культур до певних значень факторів, які є оптимальними. Окрім того, вираження в процентах хоча і дає можливість зіставляти показники між собою, абсолютно не враховує “розкид значень” по шкалі 0-100%. Різновид описаного методу, запропонований Т.Н.Кулаковською (1990), хоча і обходить проблему “розкиду значень” шляхом введення в обрахунок мінімальної величини показника, що дозволяє отримати нормоване значення в усьому діапазоні 0-100 балів, теж не враховує параболічного характеру кривої, яка описує умови росту і розвитку рослин - лінія “нормування для середнього арифметичного (2)”.

Дещо краща ситуація у випадку нормування для ЗПЯГ. Крива в першому наближені нагадує параболу, найбільшого значення сягає в точці теоретичного оптимуму (100), найменшого (0) в точках мінімуму і максимуму (критичних). Але при детальному розгляді виявляється, що ця крива є строго симетричною відносно оптимальної точки. Це не дозволяє врахувати асиметричність, яка дуже часто має місце. Означену проблему можна обійти, вказуючи критичні точки окремо для правої та лівої гілок графіка. При цьому отримуємо дві криві - ЗПЯГ(1) та ЗПЯГ(2). Для прикладу: ліва гілка ЗПЯГ(1) задовільно описує кислотну частину діапазону рН, даючи дуже велику похибку в лужній, а ЗПЯГ(2) - навпаки: права гілка годиться для обрахунків, а ліва дає незадовільний результат. Але навіть такий можливий шлях є недосконалим, оскільки виявляється проблема методичного характеру для такого способу розрахунку: опис експоненційної функції не дає можливості задавати фіксовані її значення у вузлах, які відповідають точкам 100, 80, 50 та 0% врожайності. На практиці це означає, що при однакових значеннях нормованих ознак, наприклад рН і рівноважної щільності, зниження врожайності (ДУ) буде неоднаковим, як можна вважати. В такому випадку їх усереднення не матиме логічного обґрунтування. Подібним чином, розмірковуючи про порівняння будь-якої нормованої ознаки для двох різних культур, приходимо до висновку, що воно буде некоректним. Одне і те ж значення для однієї культури означатиме, наприклад, зниження врожайності (ДУ) на 10%, а для іншої - на 40%, що є, на наш погляд, недопустимим.

Отже, розгляд способів нормування показників показав їх недосконалість та повну або часткову невідповідність закону мінімуму, оптимуму і максимуму. Тому, для задоволення поставлених вимог ми поступили наступним чином: при нормуванні складових УПРҐ скористалися шкалою значень параметрів, наведених у роботі (Агроэкологическая оценка … культур / Под ред. В.В. Медведева, 1997). У вихідній шкалі пропонується три градації показників: 1) оптимальна - урожайність коливається в межах ~20% від теоретично можливої; 2) допустима - урожайність знижується на ~30% від попередньої; 3) недопустима - врожайність знижується більше ніж на 50% від теоретично можливої і прямує до нуля. В шкалі, на жаль, відсутні градації, які вказують на величини показників, при яких рослини починають гинути. Оскільки ми задалися метою дати більш точну оцінку усього діапазону ознаки, в якому рослина володіє “господарською цінністю” - врожайністю, то вихідну шкалу довелося дещо доповнити, ввівши таку точку, де рослина починає боротися за “виживання”. Зрозуміло, що у випадку двосторонніх критеріїв (рН, рівноважна щільність, гранулометричний склад тощо) таких точок буде дві, які позначають відповідно праву і ліву межу надкритичних умов для росту і розвитку. Отримавши “розширений” варіант шкали, встановлюємо бальні оцінки меж допустимих, недопустимих та оптимальних параметрів.

Проілюструємо це на прикладі рН для вівса. Точка теоретичного оптимуму (ТО) отримала оцінку 100 - в ній виявляється можливим максимальна реалізація адаптаційного потенціалу культури. Крайні межі оптимального інтервалу одержали бал 80, крайні точки допустимого діапазону - 50, а недопустимого - 0. В зв'язку з відсутністю в вихідній шкалі даних про ширину недопустимого інтервалу, нами прийняте наступне: із ширини допустимих діапазонів можна робити висновки про толерантність рослин до того чи іншого фактора. Якщо вони вузькі, це означає, що рослина погано переносить таке зниження ознак, і в більш “поганих” умовах вона буде реагувати аналогічно. Це ж стосується і широких допустимих діапазонів. Тому при розрахунках ми поступаємо наступним чином: якщо на допустимий діапазон припадає 30% зниження врожайності і “Х” одиниць значення фактору, то на недопустимий діапазон припадатиме 50% зниження врожайності і пропорційна кількість “У” одиниць значення фактору (табл. 4.1).

Дані про бальні оцінки критичних точок та значення ознак в цих точках апроксимували поліномами 3-4 степеня, який визначався вимогою точного відтворення значень функції в вузлах 100-80-50-0 балів. Отримана фіксована оцінка нормованої ознаки в точках

Таблиця 4.1 Розширений варіант шкали рН в діапазоні росту і розвитку рослин на прикладі вівса

ЛДД, ПДД - лівий та правий допустимі діапазони;

ЛНД, ПНД - лівий та правий недопустимі діапазони;

ЛОМ, ПОМ - ліва та права оптимальні межі;

ЛДМ, ПДМ - ліва та права допустимі межі;

ЛКМ, ПКМ - ліва та права критичні межі;

теоретичного оптимуму (рН=5.95), переходу від оптимальних значень до допустимих (5.2 і 6.7), від допустимих до недопустимих (4.8 і 7.5) та в критичних точках (4.1 і 8.7) дозволяє коректно зіставляти оцінювані показники. Спосіб обчислення кривої для узагальненого показника родючості ґрунту дає можливість отримати несиметричну лінію, яка враховує відхилення вимог рослин до умов росту та розвитку від ідеальної параболи та закон мінімуму, оптимуму і максимуму на відміну від кривих ЗПЯГ(1) та ЗПЯГ(2) і тим більше ліній середнього арифметичного. Для правої та лівої гілок графіка (в зв'язку з їх асиметричністю) отримуються при цьому різні вирази. Для озимої пшениці та цукрового буряка форма залежностей для перетворення абсолютних значень показників у відносні наведена.

Пропонується ґрунтовий та загальний варіанти узагальненого показника, значення яких знаходяться в межах від 0 до 100 балів. УПРҐ(ґрунтовий) включає вісім факторів родючості, а саме вміст гумусу, потужність гумусованого шару, вміст фізичної глини, азоту, фосфору та калію, рН(KCl) і рівноважну щільність. УПРҐ(загальний) крім ґрунтових, враховує й агрокліматичні фактори: гідротермічний коефіцієнт за період з ефективними температурами, суму ефективних температур, середньодобову температуру повітря при появі сходів і утворенні продуктивних органів.

Практичне використання запропонованого показника для розробки моделей родючості та оцінки відповідності ґрунтово-кліматичних умов вимогам озимої пшениці та цукрових буряків здійснено на основі даних Кіцманської та Сторожинецької держсортодільниць. В роки, коли ще повністю зберігалася система удобрення та система захисту рослин, чорнозем опідзолений володів більшим значенням УПРҐ(загального) у порівнянні з бурувато-підзолистим ґрунтом (85.3 та 73.1 бали відповідно). Розбіжність між УПРҐ(ґрунтовим) складала 13.1 бал, тобто мала той самий порядок. Незважаючи на це урожайність приблизно була на одному рівні - 85.3 і 83.0 ц/га. На Сторожинецькій сортодільниці в 1987 році отримали більшу врожайність ніж на Кіцманській в 1993 році, перш за все тому, що внесли великі дози азоту, фосфору і калію (по 217, 217 і 148 кг діючої речовини на 1 га відповідно), а на останній використовували норми добрив на порядок менші, що і обумовило практично рівну урожайність при різниці УПРҐ рівній 12.2-13.1 бал. Останнє ще раз доводить роль системи удобрення, яка дозволяє на потенційно менш родючих ґрунтах отримувати високі врожаї. В роки з найменшою врожайністю, яка була майже однаковою на обох типах ґрунтiв (36.9 та 37.5 ц/га відповідно для чорнозему опідзоленого і бурувато-підзолистого ґрунту), практично рівною була і величина узагальненого показника родючості ґрунту, вирахуваного на основі

всього комплексу ґрунтово-кліматичних факторів - 55.7 та 57.0 балів відповідно при величині УПРҐ(ґрунтового) 48.4 та 60.4 бали. Останнє показує перш за все важливість метеорологічних умов, які в сприятливих умовах здатні підвищити оцінку ґрунту щодо вимог культури й, відповідно, урожайність цієї культури.

На відміну від УПРҐ(загального), який включає й кліматичні фактори, котрі самі по собі є дуже динамічними, УПРҐ(ґрунтовий) володіє більшою стабільністю в часі, однак, незважаючи на це, він дозволяє оперативно відслідковувати зміни в ґрунті та переводити їх у числову форму. При погіршенні показників, тобто деградації ґрунту, можна визначити її швидкість (у випадку чорнозему опідзоленого 6-7 балів на рік) та запропонувати заходи по зупинці цього процесу і спрямуванні його в сторону покращення. Саме тому ми пропонуємо УПРҐ(ґрунтовий) використовувати в якості показника при ґрунтово-бонітувальному моніторингу земель.

Отже, чорноземи опідзолені Західного Лісостепу, незважаючи на наявність деградаційних процесів, є більш придатними до вирощування озимої пшениці в порівнянні з бурувато-підзолистими оглеєними ґрунтами Передкарпаття, дозволяють отримувати більшу урожайність озимої пшениці без вкладення додаткових затрат, що обумовлюється як їх генетичними відмінностями, так і кліматичними умовами регіонів поширення цих ґрунтів.

Отримано лінійні регресійні моделі залежності урожайності цукрового буряка від величини УПРҐ. Їх аналіз показує, що максимальна урожайність у виробничих умовах може становити близько 835-888 ц/га. Вважаємо, що дані величини є цілком реальними при належній агротехніці, системі внесення добрив та інтегрованій системі захисту рослин, використанні районованих сортів і гібридів тощо.

Цукровий буряк дуже вимоглива культура і при порушенні агроекологічних умов різко знижує урожайність, а якщо це відбувається на фоні загальної агрофізичної, фізико-хімічної та агрохімічної деградації при недотриманні системи удобрення та системи захисту рослин наслідки бувають просто катастрофічними. Так, в порівнянні з найбільш врожайним роком з урожайністю 622.4 ц/га, коли значення УПРҐ загального та ґрунтового становило відповідно 63.4 і 61.5 бали, в найбільш неврожайний рік (309.9 ц/га) УПРҐ знизився лише на 4.9 і 10.1 бали відповідно. При використанні отриманих регресійних моделей урожайності цукрового буряка в залежності від УПРҐ її зниження мало би становити 40.9-89.7 ц/га проти 312.5 ц/га реальних. Зменшення урожайності в 7.6-3.5 рази перевищує розраховане за нашими моделями, що ні в якій мірі не є доказом неспроможності моделі описувати ґрунтову родючість - вона просто в таких умовах перестає точно працювати, даючи похибку в розмірі ефективної родючості, але залишаючись досить точною при визначенні розмірів потенційної родючості. Останнє є фактором, який допускає використання УПРҐ, а саме його “ґрунтового” варіанту в якості показника при ґрунтово-бонітувальному моніторингу земель.

Висновки