Поздняков А.И., доктор биологических наук, профессор Елисеев П.И., аспирант (Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова)
ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ЭКСПРЕССНОЙ ОЦЕНКИ ТОПОГРАФИИ
РАСПРЕДЕЛЕНИЯ БАЗОВЫХ СВОЙСТВ ЛЕГКИХ ПОЧВ ГУМИДНОЙ ЗОНЫ
Показана возможность использования методов электрического сопротивления (ЭС) для экспресс картирования основных свойств почв, таких как физическая глина, гумус и емкость катионно-го обмена в почвах легкого гранулометрического состава. Предложен новый способ выбора изоом-ных линий на основе анализа экспоненциальных зависимостей между свойствами почв и электрическим сопротивлением.
Ключевые слова: электрическое сопротивление, картирование.
ELECTROPHYSICAL METHODS TO EXPRESS-EVALUATE TOPOGRAPHY OF SOME PROPERTIES OF THE LIGHT TEXTURED SOILS IN HUMID AREA
The possibility of application of the electrical resistivity method to fast and less labor-intensive mapping evaluate basic properties, such as physical clay, humus and cation exchange capacity was clearly demonstrated on virgin and cultivated soils of light texture. A new method for assessing the topography of the distribution of some soil properties was proposed based on equi-ohm lines and exponential relationships between soil properties and electrical resistivity.
Keywords: electrical resistivity, mapping.
Введение
Удельное электрическое сопротивление (УЭС) может использоваться как удобный, простой и быстрый для измерения параметр [1-3]. В гумидной зоне УЭС, при достаточно большой влажности, которая обеспечивается гумидностью климата, зависит в первую очередь от ряда стабильных «базовых» свойств почв, таких как физическая глина, гумус и емкость катионного обмена [1-3]. Используя, полученные в предыдущей работе [1-3] тесные зависимости сопротивления от этих важных свойств почв электрофизическим методам в гумидной зоне можно найти применения в самых разных областях почвоведения, экологии и земледелия.
В этом отношении имеет смысл обратить внимание на опыт развитых странах. В Северной Америке и Европе использование EC-карт почвы (ЕС, е1ес1;пса1 conductivity-электропроводность). Здесь это во многом уже обыденное явление и знание ЕС входит даже в перечень профессиональных требований к работнику.
Объекты и методы
В качестве объектов исследования были выбраны различные по степени окультуренно-сти почвенные массивы легких по грансоставу почв Дмитровского района Московской области, расположенных на небольшом удалении друг от друга в пределах I—III ярусов макросклона северной экспозиции Клинско-Дмитровской гряды, ограниченной уступом к древне-озерному расширению долины р. Яхрома.
При проведении измерений УЭС использовался портативный прибор LandMapper-02 и четырех электродные измерительные установки AMNB. См. сайт WWW.Landviser.net
В лаборатории были определены: влажность термостатно-весовым методом; содержание углерода при помощи экспресс-анализатора АН-7529М; гранулометрический состав методом лазерной дифракции на приборе «Analysette-22»; емкость катионного обмена согласно общепринятых методик. На каждом объекте были отобраны образцы и по ним получены значения
по физической глине, углероду и емкости катионного обмена (ЕКО). При этом в точке отбора образцов было измерено УЭС в полевых условиях, а используя отобранные образцы и в лабораторных условиях.
Результаты и обсуждение
Между исследуемыми свойствами и УЭС получены экспоненциальные зависимости вида у=А*ехр(-Ь*х) с высокими 0.82-0.91 коэффициентами корреляции. Это дает основание для использования их при изучении топографии исследуемых свойств, посредством построения картин распределения изоом УЭС. Важнейшим вопросом при этом является вопрос выбора градаций для изоом УЭС. Чаще всего этот вопрос решается исследователями, руководствуясь исключительно общими соображениями, выбирая тот или иной шаг для проведения изо-омных произвольно. Мы, к примеру, на первых этапах исследований, выбрали изоомы с шагом в 50 омм до 200 омм, и через 100 омм до 1000 омм, что традиционно для таких исследований [4]. Затем путем пересчета значений УЭС в значения базовых свойств нами строились карты топографии распределения свойств рис.1.
Рис. 1. Карта распределения изоом и соответствующих им значений свойств легких антропогенно-преобразованных почв Клинско-Дмитровской гряды, построенных на основе традиционного произвольного способа выбора градаций изоом.
Как видим, картина поля весьма пестра по электрическому сопротивлению, и, следовательно, по: физглине, общему содержанию углерода и ЕКО. Ее, конечно, можно упростить за счет выбора меньшего числа градаций изоом, но такой подход вызывает ряд вопросов: «Почему, собственно, это лучше чем предыдущий случай? Сколько таких градаций необходимо для корректного выявления различий в свойствах, характеризующих состояние почв?
При изучении же топографии распределения свойств по объекту исследования требуется получить не случайную картину их распределения, а карту распределения признаков, характеризующую изменения физико-химических свойств. Ее можно получить на основе анализа кривых сопротивления и того или иного свойства.
А
Р, Ом*м
Н973 н
— 660 РЧ
335
0,2 О,в 1.4
ФГ, %
ЕКО, мэкв/1 ООг
П ,3 щ
10,в 6,8
15,0 Ю,1
Рис. 2. Графики: а) Апроксимация зависимости УЭС от содержания углерода в почве
линейно-кусочными функциями, с целью выделения ключевых значений изоом ; б) распределения изоом и соответствующих им значений свойств почв, построенных на основе анализа зависимостей между УЭС и свойством легких антропогенно-преобразованных почв Клинско-Дмитровской гряды
Укажем, что полученные экспоненциальные зависимости у=А*ехр(-Ь*х), называются Больцмановскими и они являются своеобразным показателем физико-химического состояния почвенного поглощающего комплекса, его преобразованности в результате, к примеру, процессов окультуренности. Эти экспоненциальные кривые опосредованно описывают поведение электрических характеристик в двойном электрическом слое дисперсных систем [1-3]. На макроуровне измерений электрического сопротивления эти свойства дисперсных систем также проявляются, формируя определенное поведение разных электрических свойств в нашем случае величин удельного электрического сопротивления рис.2а. Проводя секущие к прямолинейным участкам экспонент можно выбрать такие значения изоом, и диапазоны между ними, которые будут характеризовать физико-химическое состояние почвенного поглощающего комплекса, а, следовательно, и значения физглины, общего содержания гумуса и емкости катионного обмена. В свою очередь, эти свойства важны и для характеристики самих почв. Наиболее важными в этом отношении, как раз, и являются грансостав - физглина, как показатель дисперсного состояния почвы, например, по классификации Н. А.Качинского; [5] содержание общего углерода - как основной показатель плодородия почвы - а также емкость катионного обмена, которая характеризует развитость поверхности и способность к насыщенности твердой фазы почвы носителями электричества, в данном случае, катионами.
Проделав аппроксимацию экспонент кусочно-линейными прямыми, мы получили следующие значения для изоомов, объединяющих относительно однородные участки, и, соответствующие значения для исследуемых свойств.
Таблица 1.
Граничные значения свойств почв однородных участков, полученные на основе аппроксимации экспоненциальных зависимостей кусочно-линейными прямыми.
Свойство Низкое содержание Среднее содержание Высокое содержание Очень высокое содержание
Рполев, Ом*м > 973±97 660±53 335±42 < 335±42
Собш^ % < 0,2±0,05 0,6±0,1 1,4±0,3 > 1,4±0,3
ФГ, % < 7,3±1,5 10,8±2 15±3 > 15±3
ЕКО, мэкв/100г < 5,1±0,5 6,8±0,4 10,1±1,2 > 10,1±1,2
Построив изоомы на исследуемом участке используя данные табл.1, получаем картину распределения свойств почв разной выраженности, согласованную с однородностью физико-химического состояния почв разных участков поля Рис.3.
Исходя из выше изложенного, можно утверждать, что УЭС может использоваться как основной интегральный (обобщающий) оценочный показатель, по которому можно детально и быстро обследовать почвы отдельных полей, ранжировать массивы пахотных почв по выраженности определенных свойств почв, изучать топографию их распределения в пределах одного поля. Предложенный подход выбора значений УЭС для изоом упрощает выбор однородных по свойствам участков поля.
Выводы
1. Использование полученных экспоненциальных уравнений при анализе и трактовке результатов обследования почв электрофизическими методами и предложенный подход выбора изоомов дает возможность выявления конкретной топографии распределения почв и относительно однородных участков по таким важным характеристикам, как содержание общего углерода, емкость катионного обмена, гранулометрический состав.
2. Полученные результаты позволяют рекомендовать электрофизические методы, как полевые, так и лабораторные, для экспертно - экспрессной оценки некоторых свойств почв легкого гранулометрического состава гумидной зоны.
ЛИТЕРАТУРА
1. Поздняков А.И. Полевая электрофизика почв. - М: МАИК «НАУКА / ИНТЕРПЕРИОДИКА», 2001 с. 188.
2. Поздняков А.И., Ковалев Н.Г., Позднякова А.Д. Электрофизика в почвоведении, мелиорации, земледелии. Тверь: ЧуДо, 2002, с. 280.
3. Поздняков А.И., Елисеев П.И., Русаков А.В. Электрическое сопротивление как возможный показатель окультуренности пахотных супесчаных почв гумидной зоны. Вестник МГУ, серия почвоведение 17, 2012 N 2 с.54-60
4. Хмелевской В.К. Курс электроразведки М: Изд-во Московского университета 1985 ч.1, с.285
5. Шеин Е.В. Курс физики почв М: Изд-во Московского университета, 2005 с.430
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.