Влияние характера землепользования на структуру обыкновенного чернозема и параметры ее фрактальных моделей

Актуальность работы.

При длительном, интенсивном сельскохозяйственном использовании почв в современном земледелии происходит существенное изменение их физических и физико-химических свойств, в том числе, и тех, которые зависят от почвенной структуры. Длительное сельскохозяйственное использование почв приводит к ухудшению физических условий существования почвенной биоты. Последствия деградации структуры проявляются в виде снижения почвенного плодородия, дегумификации, заплывания, уменьшения водопроницаемости. Физическая деградация является первопричиной усиления процессов водной эрозии.

Распашка черноземов при низкой культуре земледелия приводит к потере значительной части гумуса, разрушению макроагрегатов, изменению их свойств. В связи с этим возникает необходимость изучения изменения структурного состава, свойств почвенных агрегатов и их формирования в условиях интенсивного землепользования.

Основная часть пашни страны (53%) находится на самых плодородных черноземных почвах, поэтому исследование явлений физической деградации является актуальной задачей земледелия Российской федерации.

Стоящая в центре внимания проблема глобального изменения климата, оказывается, связана с познанием строения агрегатов почвы.

Согласно традиционным представлениям, между макроагрегатами структурной почвы большую часть вегетационного сезона находится воздух, а во внутриагрегатных микропорах — вода (почвенный раствор). Это, однако, может означать, что в микропорах, заполненных водой, устанавливается аноксия (дефицит кислорода). При этом часть микрофлоры начинает добывать кислород путем восстановления нитратов, что приводит к продуцированию N2 и N2O. Первый процесс ведет к потере азота из почвы в атмосферу, второй — - к накоплению в атмосфере тепличных газов, ответственные за изменение климата. Для математического моделирования этого процесса необходима модель макроагрегата — и есть данные, что фрактальная модель оказывается эффективнее модели бимодальной пористости.

Иерархические множества, подобные почвенной структуре, успешно исследуются в последние десятилетия методами фрактальной геометрии. Это подчеркивает актуальность исследований фрактальной природы почвенных агрегатов и ее численной характеристики. Цели и задачи исследования.

Цель работы — изучить, как с возрастом пашни изменяются структура, пористость (плотность), водопрочность, набухание макроагрегатов, массовая и фрагментационная фрактальные размерностей обыкновенного чернозема. В задачу исследований входили следующие вопросы:

1. Изучение статистических параметров распределения по пористости макроагрегатов разных фракций в черноземе обыкновенном в связи с их размером и возрастом пашни;

2. Изучение свойств макроагрегатов черноземных почв (водопрочности, плотности, набухания) в связи с длительностью обработки;

3. Изучение взаимосвязи водопрочности с пористостью и/или набуханием макроагрегатов;

4. Разработка методов определения массовой фрактальной размерности и способности макроагрегатов к набуханию с использованием компьютерного анализа изображения.

5. Оценка фрактальных характеристик структуры черноземной почвы и влияния возраста пашни на эти характеристики.

Основные положения, выносимые на защитуС увеличением возраста пашни чернозема обыкновенного в условиях дегумификации происходит уменьшение текстурной и увеличение крупноагрегатной пористости.

— Макроагрегаты с увеличением возраста пашни изменяются по плотности. Происходит уменьшение их водопрочности и увеличивается способность к набуханию.

— Описание усовершенствованного комплекса фрактальных методов определения параметров, характеризующих строение отдельностей черноземной почвы, а также ее фрагментацию и фрактальные характеристики этой почвы.

Научная новизна работы.

Впервые систематически изучены закономерности изменения строения агрегатов различных фракций в обыкновенном черноземе Каменной степи в связи с возрастом пашни. Показано, как длительность распашки (возраст пашни) влияет на плотность, пористость, водопрочность и способность агрегатов к набуханию. Определены статистические параметры, устанавливающие распределения макроагрегатов по пористости в различных фракциях образцов исследованной почвыроль набухания агрегатов в их водопрочности. При определении массовой фрактальной размерности впервые использована вся выборка значений массы и объема каждого из макроагрегатов фракции, что позволило более точно определить величину фрактальной размерности. Получены уравнения, определяющие эволюцию массовой фрактальной размерности, массы единичного размера (инициатора), а также зависимость плотности макроагрегата от его объема и возраста пашни. Проведено сравнение двух методов определения плотности агрегатов. Определена взаимосвязь плотности агрегата и его объема внутри отдельной фракции с использованием двумерного нормального распределения. На основе компьютерного анализа изображения макроагрегатов получены данные о массовой фрактальной размерности и способности к набуханию структурных отдельностей. В рамках фрактальной теории проведена оценка зависимости между массовой фрактальной размерностью, фрагментационной фрактальной размерностью и вероятностью распада почвенного агрегата.

Практическая ценность работы.

Предложенный метод определения массовой фрактальной размерности способный выявить антропогенное влияние на структуру, может характеризовать эволюцию черноземной почвы. В качестве диагностических показателей физической деградации представляется возможным использовать такие свойства макроагрегатов — как пористость, плотность, водопрочность, а также фрактальные характеристикифрагментационную и массовую фрактальные размерности, массу инициатора. Метод определения набухания макроагрегатов с помощью компьютерного анализа изображений позволяет прогнозировать их распад, являющийся важным процессом, определяющим изменения почвенной структуры, агрегатов и почвенной структуры при длительной распашке позволяют рациональнее применять приемы мелиоративного, агротехнического регулирования почвенного плодородия.

Структура и объем диссертации

.

Диссертация написана на русском языке, изложена на 132 страницах печатного текста, иллюстрирована 32 рисунками, 11 таблицами. Состоит из введения, 5 глав, заключения и выводов, списка использованной литературы (244 наименований, в том числе 150 иностранных).

ВЫВОДЫ.

1. Распределение по пористости (плотности) макроагрегатов разных фракций в черноземе обыкновенном разных угодий со значительно различающимся возрастом обработки весьма точно аппроксимируются нормальным и логнормальным распределениями. Пористость данных макроагрегатов зависит от их размера и длительности обработки. Совместная плотность вероятности двух случайных величинпористости агрегата и его объема — внутри фракции характеризуется двумерной функцией распределения.

2. Водопрочность, плотность, набухание макроагрегатов чернозема обыкновенного связаны с длительностью обработки. Агрегаты целинной почвы характеризуются значительной водопрочностью, текстурной пористостью и малым набуханием. С увеличением возраста пашни происходит уменьшение водопрочности, текстурной пористости и увеличение набухания агрегатов. Агрегаты, имеющие меньшее набухание — более водопрочные.

3. Фрактальные зависимости определяются двумя величинами: фрактальным параметром (km\jmkf) и фрактальной размерностью.

Dm или Df). Эти величины чувствительны к длительности обработки пашни и могут характеризовать как агрегацию структурных элементов черноземной почвы, так и ее фрагментацию. Массовая фрактальная размерность Dm уменьшается по мере увеличения длительности распашки почвы, что связывается с возрастанием рыхлости агрегатов. Величина кт возрастает с увеличением длительности землепользования и достигает максимального значения в пашне 100 лет распашки. Релаксационные времена в кинетике изменения фрактальной размерности Dm и фрактального параметра кт, связанные с продолжительностью обработки, составляют несколько десятков лет. Установлено возрастание фрагментационной фрактальной размерности Df по мере увеличения длительности обработки, происходящее вследствие повышения доли мелких агрегатов в почве.

4. Наряду с определением параметров массовых фрактальных зависимостей и плотности агрегатов — компьютерный метод анализа изображений применен для измерения кинетики их набухания.

5. Измерение массы и объема индивидуальных агрегатов, входящих в выборки из каждой фракции — позволило определить величину массовой фрактальной размерности с большей точностью.

Ill.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Проведенные исследования показали влияние возраста пахотного угодья на изменение фрактальных параметров, физических свойств почвенных агрегатов и почвенной структуры обыкновенного чернозема, являющейся важным фактором плодородия. Применение методов статистики, фрактальной теории и компьютерного анализа изображения позволило количественно интерпретировать изменения, происходящие в структурных агрегатах, почве при интенсивном земледелии. Дальнейшее развитие примененных экспериментальных методов и фрактальных моделей окажется полезным для других физических свойств и типов почв.