СПОСОБ ЛИТОЛОГО-ГЕОХИМИЧЕСКОГО КАРТИРОВАНИЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ РАЙОНОВ Российский патент 1997 года по МПК A01C21/00 G01N33/24 

Изобретение относится к способам картирования сельскохозяйственных угодий по данным геохимии современных ландшафтов в растениеводстве и может решать такие вопросы, как рациональное внесение удобрений, повышение урожайности сельскохозяйственных культур, упорядочение севооборота, сельскохозяйственных угодий и охрана окружающей среды.

Известные в настоящее время способы основаны на агрохимической характеристике пахотного слоя конкретного поля [1,2] При этом опробуется активный верхний слоя почвы с определением его кислотности, содержания основных элементов питания растений (азота, фосфора, калия) [3] (прототип). В зависимости от особенностей выращиваемых культур вносят стандартные (аммиачную селитру, суперфосфат, хлористый калий и другие) или нетрадиционные удобрения (апатит, фосфорит, азотная кислота, калийсодержащие породы и др.). Этим создается оптимальный режим питания растений.

Недостатком известных способов является невозможность учесть потенциальные возможности почвы, геохимические природные процессы, обеспечивающие стабильное существование того или иного типа почвы с определенной агрохимической характеристикой. Это приводит к нерациональному использованию удобрений, недостаточно обоснованному распределению выращиваемых культур на площади различных ландшафтов, низкому качеству продукции, экологическим нарушениям в природе.

В основе изобретения лежит задача создания способа выделения зон минерального питания растений с едиными агрохимическими параметрами плодородного слоя, позволяющего выбрать вид удобрений, наиболее рациональный для каждой зоны.

Поставленная задача решается тем, что в способе геолого-геохимического картирования сельскохозяйственных районов, при котором отбирают пробы и анализируют их, согласно изобретению, пробы отбирают из почвообразующего горизонта, проводят их литологический анализ с определением их типа и степени их агрегативности, химический анализ с определением рН среды выветривания, по изолиниям рельефа на топопланшете определяют абсолютную высоту точек отбора проб и строят график зависимости рН среды выветривания каждого типа породы различной степени агрегативности от абсолютной высоты местности, после чего строят литологическую карту типов почвообразующих пород с горизонталями рельефа, на которой по величине рН выделяют площади распространения почвообразующих пород с кислыми, нейтральными и щелочными обстановками, почвы на площадях с кислым значением рН относят к бедным подвижным калием и богатым фосфором, почвы с нейтральным рН относят к обеспеченным всеми элементами питания растений, на площадях со щелочным значением рН почвы относят к обеспеченным соединениями калия доступными для растений и к бедным аналогичными соединениями фосфора.

Сущность способа заключается в том, что отбор проб проводят не из гумусодержащего горизонта, а из горизонта почвообразующих пород. Так как установлено, что агрохимический состав гумусодержащего горизонта зависит от состава почвообразующих пород, их агрегативности и ландшафтной обстановки. На основании этой зависимости выделяют площади единой агрохимической характеристики гумусодержащего горизонта и дифференцируют сельскохозяйственные угодья на предмет внесения оптимальных видов минеральных удобрений.

На фиг.1 представлен график зависимости агрохимических показателей гумусодержащего горизонта от типов почвообразующих пород и абсолютной высоты местности юго-восточной части Новосибирской области. Условные обозначения:
кислая среда выветривания (рН < 6), содержащая Р₂O₅ подв. > 5; K₂O подв. < 10 мг/100 г почвы;
uiiiiom,,,,.

нейтральная среда выветривания (рН 6-7); содержания Р₂O₅ подв. > 5; K₂О подв. > 10 мг/100 г почвы;
щелочная среда выветривания (рН > 7); содержания Р₂О₂ подв. < 5; K₂ подв. > 10 мг/100 г почвы.

Типы пород: 1 глина алевритистая; 2-5 глина алевритовая с очень низкой (2), низкой (3), средней (4) и высокой (5) степенью агрегативности; 6-8 алеврит глинистый с очень низкой (6), низкой (7) и средней (8) степенью агрегативности; 9-11 алеврит песчано-глинистый с очень низкой (9), низкой (10) и средней (11) степенью агрегативности; 12-13 пески с очень низкой (12) и низкой (13) степенью агрегативности; 14-15 глина алевритовая известковистая со средней (14) и высокой (15) степенью агрегативности 16-18 - алеврит глинистый известковистый с очень низкой (16), низкой (17) и средней (18) степенью агрегативности.

На фиг.2 показана литолого-геохимическая карта зон минерального питания растений юго-восточной части Новосибирской области.

Основой метода является определение агрохимической характеристики почв в конкретных ландшафтах. В почвенном профиле выделяются три основные зоны: А - гумуссодержащий горизонт, являющийся активным слоем почвы. На нем базируется вся сельскохозяйственная деятельность общества. В иллювиальный горизонт, характеризующийся наличием заметных преобразований первичного вещества почвообразующего субстрата. С исходная порода, в результате преобразования которой в условиях современного гипергенеза происходит формирование почвенного профиля. С одной стороны, почва является частью коры выветривания, наиболее интенсивно преобразованной гипергенными процессами, а с другой зоной деятельности живых и растительных организмов, обеспечивающих накопление гумуса, определяющего в большинстве случаев агрохимическую характеристику этого горизонта. Таким образом, коро- и почвообразование единый процесс изменения исходных пород в зоне современного гидролиза. Интенсивность этого процесса зависит от многих факторов. Основными из них являются: состав почвообразующих пород и ландшафтная обстановка (рельеф, климат, растительный и животный мир, гидродинамическая характеристика). Этими факторами определяется плодородие почвы, ее потенциальные возможности. Характерной особенностью зоны гидролиза является наличие геохимических реакций, в результате которых обеспечивается подготовка минеральной пищи для растений. Поэтому она получила название зона минерального питания растений.

Исходные для почвообразования породы должны быть расклассифицированы в первую очередь по наличию в них основных элементов питания растений (азот, фосфор, калий, кальций и др.). Минеральные соединения азота в большинстве горных пород отсутствует. Фосфор и калий, наоборот, широко распространены, иногда образуя рудные концентрации (апатиты, богатые калием щелочные породы). Обычно содержание Р₂О₅ в породах составляет десятые доли процента и колеблется в пределах 0,1-0,5% K₂О образует более заметные концентрации (от 1 до 3% ). Известно, что хорошо обеспеченные фосфором и калием почвы содержат порядка 20 мг на 100 г породы каждого из этих элементов в доступной для растений форме, что составляет 0,02% от всей массы почвы. Таким образом, абсолютное большинство почвообразующих пород содержит фосфора как минимум в 5, а калия в 50 раз больше, чем требуется для формирования богатой этими элементами почвы.

В этом случае на первый план выступает текстурно-структурные признаки пород, которые должны быть расклассифицированы по типам. Естественно, чем большую часть породы представляет обломочный материал, тем больше ее пористость, проницаемость, сыпучесть. Эти свойства оказывают существенное влияние на гипергенное преобразование вещества. Не менее важным структурным показателем почвообразующих пород и почв являются аутигенные образования - агрегаты, формирование их происходит за счет раскристаллизации коллоидов, склеивания ими зерен и чешуек минералов. Среди них выделяются моноагрегаты и полиагрегаты. Обычно преобладают моноагрегаты. Агрегативность почвообразующих пород и почв определяет их водно-воздушный режим, играющий важную роль в плодородии почв. Она определяется по разности процентного содержания агрегатов и обломочного материала породы.

Установлено, что с увеличением агрегативности типов почвообразующих пород увеличивается содержание в почве подвижного калия и уменьшается фосфора. Так, при агрегативности типа породы более 45% в почве отмечается достаточное количество калия и недостаточное фосфора; при агрегативности 30-40% - присутствуют калий и фосфор в достаточных для питания растений количествах, но калий явно преобладает; 20-30% и калий, и фосфор в почвах имеются в равных соотношениях; менее 20% почвы богаты подвижным фосфором и бедны калием. Поэтому большое значение приобретает классификация почвообразующих пород по их степени агрегативности; очень низкая (<20%), низкая (20-30%), средняя (30-45%) и высокая (>45%).

Кроме почвообразующих пород характеристика гумуссодержащего горизонта определяется климатом, животным и растительным миром, временем существования почвы и рельефом. Совокупность этих природных особенностей объединена в понятии геохимического ландшафта, который подразделяется по степени и интенсивности гипергенных процессов на классы, рода и виды [4] При прочих равных условиях, обычных при исследовании какого-либо конкретного региона, на первый план выступает рельеф.

Рельеф как фактор почвообразования во многом определяет распределение на земной поверхности влаги, тепла. Базис эрозии как функция рельефа определяет скорость фильтрации вод через толщу выветривающихся пород, что отражается на характере геохимических преобразований и всей динамике миграции элементов. По характеру рельефа устанавливается род ландшафта, характеризующийся определенной скоростью химических реакций и соответствующими типами образующихся почв. По данным почвоведов, на состав почв влияют не только макроформы, но и микроформы рельефа, что определяет в значительной мере пестроту почвенного покрова.

Как известно, реакция среды при гепергенных процессах определяет поведение и интенсивность миграции тех или иных элементов, в том числе обеспечивающих рост и развитие растений.

Фосфор в коре выветривания присутствует в виде солей ортофосфорной кислоты. В почве могут фиксироваться двух- и трехзамещенные соли полуторных окислов (чаще всего типа FePO₄), но они плохо используются растениями. Двухзамещенные соли (типа CаНPO₄) нерастворимы в воде, но легко усваиваются растениями, так как растворяются в слабых кислотах, выделяемых корневой системой. В ландшафтах (III род) кислого класса с низким базисом эрозии происходит относительное накопление валового Р₂О₅ в гумуссодержащем горизонте за счет фосфорно-органических соединений и солей полуторных окислов железа. Доступный же для растений фосфор в виде аниона HPO2-4

, поглощаясь гумусом и глинистой составляющей породы, концентрируется в обменном поглощенном комплексе гумуссодержащего горизонта в количествах, достаточных для питания растений (более 5 мг/100 г).

Калий в коре выветривания присутствует в виде катиона различных алюмосиликатных минералов. В кислой среде при разрушении минеральной части породы калий поступает в раствор и выносится быстрофильтрующими водами за пределы почвенного профиля. Только незначительная его часть фиксируется глинистыми и органическими коллоидами в обменном поглощенном комплексе. Следовательно, в кислых почвах содержание доступного калия недостаточно для нормального питания растений (меньше 10 мг/100 г).

В нейтральных и слабощелочных обстановках гипергенеза (ландшафты содового и натриевого класса I рода) дренаж фильтрующихся через почвообразующиеся породы вод значительно ослаблен. Выветривание идет в условиях близких к застойным. Такие обстановки характерны для участков разгрузки грунтовых вод (поймы рек, заболоченные площади, равнины с высоким базисом эрозии). Фосфор в этих условиях остается в минеральной части породы, содержание его доступных форм очень низкое. Калий же, наоборот, накапливается в почвенном растворе и в обменном поглощенном комплексе (более 10 мг/100 г).

На платообразных равнинах, располагающихся обычно в сопряжении ландшафтов низких гор и низменных равнин (ландшафты кальциевого класса II рода), дренаж атмосферных вод ослаблен. На геохимическую обстановку выветривания сильное влияние оказывают микроформы рельефа в пределах равнины. На широких и плоских водоразделах среда выветривания слабокислая и гумуссодержащий горизонт характеризуется отношением обменных форм фосфора и калия больше единицы. В нижних частях пологих склонов и в понижениях рельефа выветривание идет в обстановках, близких к нейтральным. Фосфорнокалиевое отношение здесь будет меньше единицы (или близко к ней).

Таким образом, выявляется четкая зависимость основных агрохимических показателей гумуссодержащего горизонта от состава, типа, степени агрегативности почвообразующих пород и особенностей их выветривания в различных ландшафтных обстановках, которые контролируются в каждом конкретном районе формами рельефа и их абсолютными отметками.

Ландшафтное литолого-геохимическое картирование сельскохозяйственных районов с выделением указанных выше параметров позволяет создать литолого-геохимическую карту зоны минерального питания растений, на которой выделяются цветным фоном площади соответствующих обстановок выветривания. Эти площади характеризуются формированием гумуссодержащего горизонта с определенными агрохимическими показателями, возникающими в конкретных обстановках современного гипергенеза. Такая карта несет информацию о составе, структурно-текстурных признаках почвообразующих пород и о качественной агрохимической характеристике образованного по этим породам гумуссодержащего горизонта и его потенциальных возможностях. Такие карты будут служить основополагающими документами при ландшафтно-геохимическом районировании густонаселенных территорий для решения задач экологического мониторинга при рациональном сельскохозяйственном использовании почв этих территорий. Например, в кислых ландшафтах III рода обменный калий не может накапливаться в поглощенном комплексе почв. Сколько бы калийных удобрений (типа КСl) не вносилось, практически все они будут вынесены за пределы почвенного профиля. Это же относится и к азотных удобрениям (аммиачная селитра). Положительная отдача при этом минимальная, зато интенсивно загрязняются грунтовые воды, нарушаются природные экологические равновесия, а в местах разгрузки таких вод могут создаваться обстановки, токсичные для живых организмов (в том числе и для человека).

Способ осуществляется следующим способом.

I. Из почвообразующих пород отбирают пробы, опробованию подвергают почвообразующие породы ниже хорошо диагностируемого в полевых условиях иллювиального горизонта В почвенного профиля. Например, для правобережного Приобья Новосибирской области глубины отбора проб не превышает 1,0-1,2 м. Частота опробования определяется кондициями геологической съемки. Для отбора проб проходят шурфы и бурят профили скважин от водораздела к пойме реки. Количество скважин в профиле зависит от конкретной обстановки (площадь водораздела, характер и длина склона, особенности строения поймы) и масштаба геологической съемки. Обычно это 3-5 cкважин в профиле с расстоянием между скважинами порядка 500-1000 м. Опробование керна скважин поинтервальное. Пробы отбирают из всех зон почвенного профиля и разновидностей почвообразующих пород, но не реже 1 м по мощности. Лабораторным исследованиям подвергаются образцы пород, полученные как при бурении, так и при проходке шурфом (копуш) по опорным профилям. Расстояние между профилями определяется требованиями геологической съемки, но не должно превышать 15-20 км. Вес проб около 1 кг.

2. Проводят литолого-геохимический анализ проб определение типа пород, определение агрегативности методом сито-пипетки, химический анализ с определением рН среды выветривания. Все литолого-минералогические исследования проводятся по известным традиционным методикам. рН среды выветривания почвообразующих пород определяется химическим анализом.

3. По изолиниям рельефа на топопланшете определяют абсолютную высоту точек отбора проб.

4. Строят график зависимости рН среды выветривания каждого типа пород от абсолютной высоты местности (фиг.1). При этом на горизонталь графика выносят тип породы с учетом ее агрегативности, на вертикаль абсолютные высоты точек опробования, на поле графика соответствующие точки оцифровывают значениями рН среды выветривания для данных высот и пород. Далее точки с равными значениями рН соединяют и таким образом разграничивают кислую, нейтральную и щелочную обстановки на данной площади. В частности, анализ приведенного на фиг. 1 графика зависимости рН среды выветривания каждого типа пород от абсолютной высоты местности по правобережной части Новосибирского Приобья показывает, что территория, расположенная на абсолютной высоте выше 350 м, характеризуется кислой средой выветривания, вне зависимости от типа и степени агрегативности почвообразующих пород. Смена обстановок с кислой на нейтральную происходит для различных типов пород на разной высоте. Так, для глин алевритовых очень низкой степени агрегативности она меняется на абсолютной высоте 200 м, то есть выше абсолютной отметки алевритовые глины низкой степени агрегативности выветриваются в кислой среде, а ниже в нейтральной. На отметке 150 м происходит смена нейтральных обстановок на щелочные. Соответственно этому гумуссодержащий горизонт, возникающий по этой породе будет характеризоваться определенными агрохимическими показателями. На высотах больше 200 м формируются почвы, обеспеченные подвижным фосфором и обедненные калием и азотом; в интервале высот 200-150 м богатые всеми элементами питания; ниже 150 м почвы характеризуются достаточным количеством доступного растениям калия, азота и бедны фосфором. Для алевритовых глин с более высокой степенью агрегативности абсолютные отметки смены обстановок выветривания будут несколько иными, соответственно и агрохимическая характеристика, сформированных по этим породам почв, будет отличаться. Таким образом, на одной и той же абсолютной высоте формируются почвы в различной степени обеспеченные элементами питания растений, в зависимости от типов почвообразующих пород и их степени агрегативности.

5. Традиционными геологическими методами строят литологическую карту типов почвообразующих пород различной степени агрегативности (высокой, средней и низкой) с горизонталями рельефа. Затем по данным п.4 (поля изменения рН) и по соотношению типа породы, степени его агрегативности и горизонталей рельефа обозначают и разграничивают площади (например, разными цветами), на которых сформированы кислые (К красный), нейтральные (Ж желтый) и щелочные (3
зеленый) почвы. Почвы на площадях с кислым значением рН (<6) относят к бедным подвижным калием и богатым фосфором, почвы с нейтральным рН (6-7) относят к обеспеченным всеми элементами питания растений, на площадях со щелочным значением рН (>7) почвы относят к обеспеченным соединениям калия доступными для растений и к бедным аналогичными соединениями фосфора.

На фиг. 2 показан фрагмент литологической карты для юго-восточной части Новосибирской области (по техническим причинам не показано разделение типов пород по степени агрегативности) в соответствии с изобретением. Эта территория находится в зоне активного сельскохозяйственного землепользования, с четко выраженной зональностью различных типов почв.

Кислые почвы (К) характерны для низкогорного рельефа (юго-западная оконечность Салаира) с абсолютными отметками порядка 300 м и выше. Формирующиеся здесь почвы характеризуются кислой реакцией среды, дефицитом калия и достаточным содержанием подвижного фосфора (дерново-глубокоподзолистые, серые лесные почвы).

Нейтральные почвы (Ж) занимают большую площадь исследуемого региона и характеризуются выравненными пространствами с абсолютными отметками 200-300 м. Это денудационно-аккумулятивная равнина неогенчетвертичного возраста с аккумулятивно-эрозионными и эрозионно-аккумулятивными склонами. Формирующиеся почвы слабокислые и нейтральные в достаточной степени обеспеченные фосфором и калием (оподзоленные, выщелоченные черноземы).

Щелочные почвы (3) развиты на плоских (часто заболоченных) водоразделах с абсолютными отметками 100-200 м (Приобская низменная равнина). Реакция среды формирующихся почв характеризуется высокими значениями рН, заметными содержаниями подвижного калия и недостатком фосфора (пойменные, луговые, торфо-болотные почвы).

Знание геохимических особенностей конкретных ландшафтов позволит агрохимикам более рационально решать задачи по поддержанию необходимого баланса элементов питания растений в пахотном слое. Имея литолого-геохимическую карту зоны минерального питания растений своего хозяйства, соответствующие специалисты определяют в какой ландшафтно-геохимической обстановке располагаются пахотные угодья. Исходя из этого выбираются типы и виды удобрений, способных обеспечить требуемую по севообороту агрохимическую характеристику почв конкретных полей.

На основании подобных исследований на территории юга Западной Сибири выявлена качественная оценка потребности тех или иных нетрадиционных и местных агроруд для поддержания баланса элементов питания в разных типах почв наиболее распространенных ландшафтов Западной Сибири. Данные сведены в таблицу.

Использование: в растениеводстве. Задача: выделение зон минерального питания растений с едиными агрохимическими параметрами плодородного слоя, что дает возможность выбрать наиболее рациональный вид удобрений для каждой зоны. Сущность изобретения: на исследуемых площадях отбирают пробы из почвообразующего горизонта, проводят их литологический анализ с определением типа в степени их агрегативности, химический анализ с определением рН среды выветривания, по изолиниям рельефа на топопланшете определяют абсолютную высоту точек отбора проб и строят график зависимости рН среды выветривания каждого типа породы от абсолютной высоты местности, после чего строят литологическую карту типов почвообразующих пород с горизонтами рельефа, на которой по величине рН выделяют площади распространения почвообразующих пород с кислыми, нейтральными и щелочными обстановками, почвы на площадях с кислым значением рН относят к бедным подвижным калием и богатым фосфором, почвы с нейтральным рН относят к обеспеченным всеми элементами питания растений, на площадях со щелочным значением рН почвы относят к обеспеченным соединениями калия доступными для растений и к бедным аналогичными соединениями фосфора. 1 табл., 2 ил.

Способ литолого-геохимического картирования сельскохозяйственных районов, при котором отбирают пробы и анализируют их, отличающийся тем, что пробы отбирают из почвообразующего горизонта, проводят их литологический анализ с определением типа и степени их агрегативности, химический анализ с определением рН среды выветривания, по изолиниям рельефа на топопланшете определяют абсолютную высоту точек отбора проб и строят график зависимости рН среды выветривания каждого типа породы различной степени агрегативности от абсолютной высоты местности, после чего строят литологическую карту типов почвообразующих пород с горизонталями рельефа, на которой по величине рН выделяют площади распространения почвообразующих пород с кислыми, нейтральными и щелочными обстановками, почвы на площадях с кислым значением рН относят к бедным подвижным калием и богатым фосфором, почвы с нейтральным рН относят к обеспеченным всеми элементами питания растений, на площадях со щелочным значением рН почвы относят к обеспеченным соединениями калия, доступными для растений, и к бедным аналогичными соединениями фосфора.