АГРОХИМИЯ, 2014, № 5, с. 54-63
Агроэкология
УДК 551.43:631.416.4:631.445.25
ВЛИЯНИЕ МОРФОМЕТРИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК РЕЛЬЕФА НА ПРОСТРАНСТВЕННУЮ ИЗМЕНЧИВОСТЬ СОДЕРЖАНИЯ ОБМЕННОГО КАЛИЯ В АГРОСЕРОЙ ТИПИЧНОЙ ПОЧВЕ
© 2014 г. Н.В. Гопп1, О.А. Савенков1, Т.В. Нечаева1, В.В. Смирнов2
1Институт почвоведения и агрохимии СО РАН 630090 Новосибирск, просп. акад. Лаврентьева, 8/2, Россия E-mail: natalia.gopp@gmail.com 2Институт вычислительных технологий СО РАН 630090 Новосибирск, просп. акад. Лаврентьева, 6, Россия
Поступила в редакцию 07.11.2013 г.
Проведено исследование влияния морфометрических величин рельефа, рассчитанных по матрицам высот различного разрешения (30, 50, 90 м), на пространственную изменчивость содержания обменного калия в пахотном слое агросерой типичной почвы с различной степенью проявления водной эрозии в элювиальной и транзитной частях склона. На основе найденных статистических связей с рельефом построены карты содержания обменного калия. Показано, что содержание обменного калия связано с характеристиками рельефа, описывающими поверхностный сток (высотой, крутизной склонов, вертикальной кривизной, кольцевой кривизной) и терморежимом склонов (освещенностью). На эрозионно-опасных склонах прослежена пространственная неоднородность содержания обменного калия в пахотном слое почв. Это связано с миграцией калия с поверхностным и внутрипочвенным стоком вниз по склону и его накоплением в элементах рельефа с вогнутой формой как в элювиальной, так и в транзитной частях склона. Сравнительный анализ показал, что лучший результат достигнут при использовании в качестве предикторов содержания обменного калия матриц морфометрических величин рельефа (вертикальной кривизны, высоты, освещенности) с шагом решетки 30 м.
Ключевые слова: морфометрические характеристики рельефа, содержание обменного калия, агросерая типичная почва.
ВВЕДЕНИЕ
Калий - один из важнейших элементов минерального питания растений, активный участник сложных почвенных процессов. Оптимальная обеспеченность пахотных почв калием является одним из обязательных условий высокой продуктивности сельскохозяйственных культур и устойчивого функционирования агроценозов [1-3]. Главная статья расхода почвенного калия складывается из отчуждения его урожаем и выноса с твердым и жидким стоком вследствие сильно развитых эрозионных процессов на склоновых почвах. В условиях агроландшафтов урожаем отчуждается от 30-40 до 500 кг калия/га [4]. Ежегодные потери калия с жидким и твердым стоком могут меняться от 0.3 до 88 кг/га [5, 6]. В почвах агроценозов при отчуждении значительных количеств обменного калия происходит интенсивная мобилизация элемента не только из его необменных форм, но и алюмосиликатов, что снижает бу-
ферную способность почв, разрушает почвенный поглощающий комплекс [7]. В этой связи оценка и прогнозирование пространственной изменчивости содержания обменного калия (как основного, а часто и единственного показателя обеспеченности растений этим элементом) в пахотных почвах являются актуальными.
На содержание различных форм калия в почве оказывают влияние многие факторы: в первую очередь гранулометрический и минералогический состав, а также реакция среды, культура севооборота, гидротермические условия, внесение удобрений и др. [4, 8-10]. Литературные данные [11-13] свидетельствуют о пространственной изменчивости содержания обменного (подвижного) калия в пахотном слое почв в условиях выровненного рельефа сельскохозяйственных полей. Неоднородность содержания обменного калия в почвах эрозионно-опасных склонов также часто служит причиной пространственной пестроты урожайности выращиваемых культур, особенно
если наблюдается дефицит и других элементов питания [5, 14-16]. Таким образом, складывающийся калийный режим в почвах агроценозов определяется сочетанием многих факторов, что не позволяет достаточно четко определить закономерности пространственной неоднородности содержания обменного калия и накладывает существенное ограничение при выборе предикторов ("предсказателей") для регрессионного моделирования.
Особая роль в пространственной изменчивости почвенных свойств сельскохозяйственных полей принадлежит рельефу. С одной стороны, в агроце-нозах проявляется гомогенизация почвенного покрова в результате распашки, с другой - более резкая дифференциация рельефа по относительным высотам в условиях слабонаклонной поверхности с осложненным микрорельефом (одни участки больше выпахиваются, другие, наоборот, напахиваются), что приводит к усилению неоднородности до превышения исходной [17]. Одновременно рельеф формирует процессы, благодаря которым неоднородность поддерживается во времени и не ослабевает даже спустя 150 лет химизации и обработки [18, 19]. В исследованиях [20] отмечено, что степень вариабельности почвенных свойств зависит от параметров опробования (размера, формы образцов, размера опробуемого участка, схемы опробования), которые накладывают свой отпечаток на результат. Сложность получения количественных характеристик факторов, влияющих на пространственную изменчивость почвенных свойств, привела к необходимости поиска предикторов, доступных для измерения дистанционными методами. Из всех факторов следует выделить рельеф, являющийся наиболее информативным, с одной стороны, а с другой - доступным для дистанционных исследований. В работах последнего десятка лет разработаны модели, предсказывающие детальное распределение характеристик почв и растительности с использованием морфометри-ческих параметров рельефа, рассчитываемых по матрицам высот поверхности Земли [21-24].
Цель исследования - оценить вклад морфомет-рических величин рельефа в пространственную изменчивость содержания обменного калия в почве.
МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ
Исследование проводили на агросерой типичной почве, расположенной на юго-востоке Западной Сибири (Новосибирский р-н Новосибирской обл.). Обследуемое поле площадью 9.54 га находится на северо-восточном пологом
склоне (с крутизной от 2 до 3.70 в разных частях поля) и с 3-х сторон окружено березовым лесом. На момент проведения наблюдений поле было занято разнотравно-овсяной смесью с преобладанием следующих видов растений: овес посевной (Avena sativa), пырей ползучий (Agropyron repens), хвощ полевой (Equisetum arvense), вьюнок полевой (Convolvulus arvensis), сурепка обыкновенная (Barbarea vulgaris), осот полевой (Sonchus arvensis) и другие. Особенностью данного поля являлось наличие нанорельефа антропогенного происхождения, который представлен гребнями и бороздами с перепадом высот 10-15 см, также характерно наличие депрессий с перепадом высот от 1 до 3 м. Амплитуда изменений высот на протяжении всего поля составляла 158-176 м.
Почвообразующими породами являлись лессовидные суглинки. Гранулометрический состав почвы менялся от легкосуглинистого до средне-суглинистого. Почва не насыщена основаниями и характеризуется значительной пространственной неоднородностью по мощности серогумусового горизонта (AY). Например, в элювиальной части склона формировался среднемелкий горизонт AY (мощностью 20-30 см), в транзитной же части склона - крайне мелкий (мощностью <10 см). Глубокая отвальная вспашка в транзитной части склона привела к перемешиванию материала различных генетических горизонтов (преимущественно горизонтов АY, AEL и BEL) и изменению окраски на более светлые серо-буроватые тона.
Координаты точек опробования определяли с помощью системы геопозиционирования (GPS). Отбор почвенных проб (n = 60) проводили из слоя 0-25 см по нерегулярной сетке (рис. 1). Из аккумулятивной части склона образцы не отбирали, т. к. она представлена крутой террасой р. Мосиха, где произрастает березовый лес.
Содержание обменного калия в почвенных образцах определяли на атомно-абсорбцион-ном спектрофотометре С-115, извлекая его 1 М CH3COONH4 (по Масловой) [25].
Для исследования пространственной изменчивости содержания обменного калия использовали регрессионное моделирование. В качестве предикторов ("предсказателей") содержания обменного калия применяли морфометрические величины рельефа, рассчитываемые по матрицам высот поверхности Земли SRTM90 (Shuttle Radar Topography Mission, разрешение 90 м) и ASTER30 (разрешение 30 м). Для сравнительного анализа из матрицы высот с разрешением 90 м (SRTM90) методом триангуляции Делоне была получена матрица с разрешением 50 м. По матрицам высот
Оценку точности регрессионного моделирования проводили с помощью расчета средней абсолютной относительной ошибки Mean absolute percentage error (MAPE) по следующей формуле:
О 50 100 150 200 250 300 350 400 м
150
.......Линия профиля
0 100 200 300 м ^
Рис. 1. Схема отбора почвенных проб и профиль поля.
рассчитывали следующие параметры рельефа: высоту и крутизну склона, освещенность, горизонтальную кривизну, вертикальную кривизну, максимальную кривизну, минимальную кривизну, среднюю кривизну, разностную кривизну, несферичность, горизонтальную избыточную кривизну, вертикальную избыточную кривизну, ротор, полную гауссову кривизну, полную кольцевую кривизну, площадь максимального сбора. Параметры рельефа доступны измерению или расчету по матрицам высот в программе "Аналитическая ГИС Эко" [26]. Количественные величины морфо-метрических параметров рельефа и лабораторные данные точечных почвенных проб обрабатывали методом множественной регрессии. Результаты оценивали по величине непараметрического рангового коэффициента корреляции Спирмена (rs), который относится к непараметрическим показателям тесноты связи между переменными, независимо от характера их распределения [27]. Согласно шкале Чеддока, при rs = 0.1-0.3 связь между изучаемыми параметрами считается слабой, 0.3-0.5 - умеренной, 0.5-0.7 - заметной, 0.7-0.9 - высокой, 0.9-0.99 - весьма высокой. Согласно исследованиям [27, 28], коэффициент корреляции Спирмена - это обычный коэффициент корреляции, но только между рангами, а его квадрат - коэффициент детерминации (rs2) - характеризует долю дисперсии отклика, объясненную дисперсией предиктора.
MAPE = ■
У t
-X100,
yt
где у( - фактическая величина, у 1 - прогнозная величина, п -
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.