ЛЕСОВЕДЕНИЕ, 2008, № 1, с. 60-66
МЕТОДИЧЕСКИЕ СТАТЬИ
УДК 630*181.351
ВЫЯВЛЕНИЕ И ОЦЕНКА НЕОДНОРОДНОСТИ И АНИЗОТРОПИИ ПОЧВ ЛЕСНЫХ БИОГЕОЦЕНОЗОВ ПОЛЕВЫМИ ЭКСПРЕСС-МЕТОДАМИ ИЗМЕРЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ*
© 2008 г. А. И. Поздняков, А. Ю. Радшкина, А. Д. Позднякова, С. М. Шалагинова
Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, факультет почвоведения
119992 Москва, Ленинские горы
e-mail: antpozd@bk.ru Поступила в редакцию 20.07.2007 г.
Показана принципиальная возможность оценки неоднородности и анизотропии почвенного покрова лесных биогеоценозов полевыми экспресс-методами электрического сопротивления. Рассмотрена роль типа биогеоценоза, его парцеллярной структуры, вывалов и валежа деревьев в формировании неоднородности и анизотропии почв. Введено понятие оценки почвенной анизотропии на основе расчета электрических характеристик продольной проводимости и поперечного сопротивления, а также коэффициента анизотропии почвы. Почва анизотропна, если коэффициент анизотропии отличен от 1.
Экология лесных биогеоценозов, лесные дерново-подзолистые почвы, биогеоценозы, парцеллярная структура, вывалы деревьев, валеж, неоднородность почв, анизотропность почв, электрическое сопротивление почв, полевые электрические методы.
Неоднородность и анизотропия лесных почв формируется многими факторами, ведущими среди которых следует признать тип биогеоценоза (БГЦ), распределение древостоя внутри БГЦ как доминантных параметров распределения вещества и влаги, парцеллярную структуру БГЦ, ветровальные образования, вырубки, валеж, кротовины и многое другое. Большинство этих факторов, если не все - активные факторы почвообразования.
Различают анизотропию, тесно связанную с перераспределением биологических факторов в разных точках почвенного тела, близкую к общепринятому понятию неоднородности свойств почв [2], и анизотропию свойств почв по вертикали и горизонтали в одной точке почвенного пространства -физическое понятие анизотропии [1, 3].
Изучение неоднородности и анизотропии традиционными методами затруднительно: это требует больших выборок, а также закладки траншей или многих разрезов для выяснения неоднородности. Поэтому неоднородность и анизотропия почв изучены недостаточно, хотя и понятно, что они играют важную роль в почвообразовании, особенно в лесных БГЦ.
ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ
Большую помощь в решении проблемы оценки анизотропии почв могут оказать полевые электрофизические экспресс-методы измерения электрического сопротивления. Измерения удельного электрического сопротивления просты. В последовательно соединенной схеме измерителей силы тока, напряжения, любых подходящих батарей и измерительной ячейки легко получают величины сопротивления [3].
В почвоведении получили распространение 4-электродные симметричные прямолинейные установки электродов АМИВ и способы измерения сопротивления на их основе, пришедшие из геофизики. Форма электродов может быть точечной или площадной. На АВ подается исходное поле, и в этой цепи измеряется ток. На МИ измеряются разности потенциалов. Сопротивление рассчитывается по специальной формуле:
ER _ K
AU K _ _(AM)(AN) , K _ П ( MN) '
* Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (06-0448461, 07-04-00246).
где ЕЯ - удельное электрическое сопротивление, Ом м; К - коэффициент установки электродов, зависящий от расстояний между ними, м; Аи -разность потенциалов между электродами МИ; I -сила тока в цепи АВ; (АМ), (АИ), (МИ) - расстояния между соответствующими электродами.
При площадных электродах АВ в почве создается однородное электрическое поле, поэтому из-
меряемое сопротивление называют "истинным сопротивлением". Истинное удельное электрическое сопротивление - электрическое сопротивление, которое измеряется для относительно однородного объема почвы в однородном электрическом поле.
Кажущееся удельное электрическое сопротивление - сопротивление, измеренное явно для неоднородного объема почвы в неоднородном электрическом поле. Примером может служить горизонтальное электрическое профилирование (ГЭП) - способ измерения электрического сопротивления неизменной установкой AMNB, перемещаемой по линии (профилю) и обеспечивающей измерение примерно одинакового по глубине слоя почвы.
Вертикальное электрическое зондирование (ВЭЗ) - способ измерения кажущегося удельного электрического сопротивления на разной глубине в одном месте. Это достигается путем заземления электродов АВ и MN на поверхности почвы с увеличивающимися расстояниями между ними относительно постоянного общего центра.
Послойное электрическое зондирование (ПЭЗ) - способ, совмещающий особенности методов ВЭЗ и ГЭП и обеспечивающий одновременное измерение удельного электрического сопротивления по вертикали и горизонтали. Кривые ВЭЗ и ПЭЗ - функции зависимости кажущихся сопротивлений от половины расстояния между электродами АВ (полуразноса АВ). Заметим, что поскольку во всех методах для измерения сопротивления используется один и тот же подход, являющийся измерительной основой для всех методов, они могут выполняться одним и тем же прибором.
На протяжении последних 20-30 лет широкое распространение этих методов сдерживалось отсутствием современного, удобного, портативного и высокопроизводительного прибора. В настоящее время для этих целей нами в рамках фирмы LANDVISER c участием фирмы ASTRO GROUP разработан прибор LANDMAPPER-03 для измерения электрического сопротивления во всех вы-шеотмеченных методах.
Измерения с этим прибором выявили, что наиболее совершенным и удобным для оценки анизотропии почв является метод ВЭЗ, позволяющий определить, как уже отмечалось, электрическое сопротивление в профиле почв на различной глубине в одном и том же месте, выполняя измерения только на поверхности, без разрезов и скважин, не нарушая почвенный покров. Поэтому измерения можно проводить строго в одном и том же месте, тем самым осуществлять мониторинг неоднородности и анизотропии не только в пространстве, но и во времени. Таким преимуществом не обладает ни один из известных в настоя-
щее время полевых методов [3]. Профильные кривые сопротивления строятся в координатах от полуразноса АВ, который обуславливает глубину исследования. Эти кривые сопротивления характеризуют вертикальную (профильную) организацию почвы в заранее выбранной для исследования точке (анизотропию). Перемещая установку для зондирования, можно изучать и горизонтальную неоднородность почв [3].
Оценку неоднородности и анизотропии почв полевыми экспресс-методами измерения электрического сопротивления изучали в подзоне южной тайги (Подмосковье) на лесных почвах, сформированных на разных почвообразующих породах.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Электрическое сопротивление можно рассматривать как обобщенную характеристику неоднородности и анизотропии почв. Оно зависит от многих свойств: гранулометрического и минералогического составов, гумусированности, свойств, определяющих почвенный поглощающий комплекс, насыщенности (концентрации) почвенного раствора и ряда других.
Первые измерения электрического сопротивления проводили для дерново-подзолистых почв лесных БГЦ, сформированных на однородных покровных суглинках (Малинское лесничество, Краснопахорский р-н, Московская обл.).
Требовалось проследить влияние на электрическое сопротивление дернового и подзолистого почвообразующих процессов и их проявление в разных типах БГЦ, выявить связи между удельным электрическим сопротивлением почвы и типом БГЦ.
Влияние типа биогеоценоза
Было проведено зондирование почв следующих БГЦ: 1) целинного луга, 2) луга, образовавшегося после вырубки елового леса, 3) соснового леса, 4) ельника волосисто-осокового (рис. 1, А)
Установлено, что наименьшее сопротивление верхней части затронутой почвообразовательными процессами толщи имеют дерновые почвы на целинном лугу (80-100 Ом м), наибольшее (300500 Ом м) - верхняя часть толщи дерново-подзолистых почв под ельником. Под сосновым лесом и на лугу, образовавшемся после вырубки ельника, сопротивления верхней части толщи почвы довольно близки и составляют 100-200 Ом м (рис. 1, А ).
При усилении подзолообразования от луга, где преобладают дерновые почвы, к ельнику, где наиболее выражен и преобладает подзолообразо-вательный процесс, электрическое сопротивле-
А
Электрическое сопротивление, Ом м 100 200 300 400 500
Рис. 1. Кривые вертикального электрического зондирования дерново-подзолистых почв различных биогеоценозов и их парцеллярной структуры (Малин-ское лесничество Московской обл.). А: 1 - на целинном лугу, 2 - под сосняком, 3 - на лугу после вырубки ельника, 4 - под ельником; Б: 1 - под ельником волосисто-осоковым в целом, 2 - с еловым подростом, 3 -с копытнем, 4 - с осокой волосистой.
ние в затронутой почвообразованием толще, закономерно возрастает, а покровный суглинок, на котором сформированы эти почвы, имеет одно и тоже невысокое (40-50 Ом м) сопротивление.
С усилением подзолообразовательного процесса происходит нарастание электрического сопротивления. Эта закономерность прослеживается не только между почвами различных типов БГЦ - дерновыми и дерново-подзолистыми, но и в пределах одного типа или подтипа почв, в отдельных профилях которых проявление дернового и подзолистого процессов различно. Например, электрическое сопротивление аккумулятивно-гумусового горизонта дерново-подзолистых почв под сосняком значительно ниже, чем под ельником. Наибольшее различие между сопротивлением дерново-подзолистых почв разной степени оподзоленности наблюдается в верхних горизонтах - аккумулятивно-гумусовом и элювиальном. В нижней части профиля кривые сопротивления практически совпадают (рис. 1, А), что вполне естественно, так как все они образованы на одинаковой почвообразующей породе суглинистого состава и имеют небольшое удельное электрическое сопротивление.
Профильные кривые электрического сопротивления исследованных почв можно условно
разделить на двух- и трехслойные. Тип кривой зависит от числа однородных в электрическом отношении почвенных горизонтов (слоев).
Так, можно заметить (рис. 1, А), что кривые удельного электрического сопротивления для лу-гов
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.