СПОСОБ БИОХИМИЧЕСКОГО АНАЛИЗА ПРОБ ПОЧВЫ НА ПОЙМЕННОМ ЛУГУ МАЛОЙ РЕКИ Российский патент 2014 года по МПК A01G23/00 G01N1/00 

Изобретение относится к измерению качества почвенного покрова под луговой травой, преимущественно на пойменных лугах и прибрежных лесных луговинах, и может быть использовано в экологическом мониторинге почвы лесных и нелесных территорий с травяным покровом.

Известны способы биохимического анализа проб почвы по содержанию доступных для растений элементов питания в слое почвы 5-30 см: нитратный азот - по методу ЦИНАО (ГОСТ 26488-85); доступный калий и фосфор - по методу Кирсанова (ГОСТ 26207-81).

Однако результаты биохимического анализа по этим стандартам не увязываются с параметрами рельефа относительно места взятия пробы почвы.

Известен также способ отбора проб почвы для агрохимического или иного анализа по международным стандартам (Фомин Г.С., Фомин А.Г. Почва. Контроль качества и экологической безопасности по международным стандартам. Справочник. М.: Издательство «Протектор», 2001, 304 с. С.57-58), включающий определение места, частоты, длительности отбора проб почвы на исследуемой территории, а для этого намечают площадки отбора по координатной сетке, указывая их номера и координаты. Отбор проводят с учетом вертикальной структуры, неоднородности покрова почвы, рельефа и климата местности. При исследовании сельскохозяйственных угодий пробы отбирают с глубины от 0 до 5 см.

Отобранные пробы сопровождают регистрационной карточкой, в которой указывают следующие данные: номер пробы, место и глубину взятия пробы, рельеф и климатические характеристики местности, тип почвы, вид предполагаемого загрязнения, дату отбора.

Пробы, отобранные для проведения химического анализа, упаковывают в емкости из химически нейтрального материала. Пробы почвы доставляют в лабораторию и сразу анализируют. Пробы, отобранные для определения физико-химических свойств, должны сохранять структуру почвы после доставки в лабораторию.

Недостатками являются несогласованность взятия проб почвы с рельефом прибрежной территории малой реки. В нашей стране поймы малых рек в патентной классификации по изобретениям относят к лесному хозяйству, хотя пойменные луга являются объектами сельского хозяйства. А в прототипе отбор проводят в основном из земельных участков пашни. Из-за функциональной неопределенности способа отбора пробы почвы для пойменных лугов любая координатная сетка по прототипу не подходит, а нужна только координатная сетка по створам перпендикулярно реке или ее притоку, а также неизвестна толщина почвы под лугом. В пашне толщина взятия пробы почвы всегда равномерна по всей пашне, а на пойменному лугу толщина почвы очень разная. В итоге теряется точность измерений свойств почвы. Как отмечают сами авторы описания прототипа, приходится проявлять осторожность в отборе проб почвы: «Следует принимать во внимание желаемый уровень точности, а также метод фиксирования результатов, максимальные и минимальные результаты».

Технический результат - повышение точности взятия проб почвы под пойменным лугом для сопоставления измеренных концентраций биохимических веществ в почвенном покрове, а также повышение функциональных возможностей сопоставления результатов биохимического анализа с параметрами прибрежного рельефа на участке малой реки или ее притока с пойменным лугом.

Этот технический результат достигается тем, что способ биохимического анализа проб почвы на пойменном лугу малой реки, включающий определение места, частоты, длительности отбора проб почвы на исследуемой территории, а для этого намечают площадки отбора по координатной сетке, указывая их номера и координаты, причем отбор проб проводят с учетом вертикальной структуры, неоднородности покрова почвы, рельефа и климата местности, а при исследовании сельскохозяйственных угодий пробы отбирают с глубины от 0 до 5 см, отличается тем, что вертикальную структуру почвенного покрова принимают с каждой стороны в отдельности с учетом неоднородности покрова почвы и прибрежного рельефа у малой реки или ее притока в принятом перпендикулярно руслу реки створе измерений, при этом эта вертикальная структура в виде профиля определяется измерениями расстояния от кромки берега до точки взятия пробы на глубине почвенного слоя 0-5 см и высотой почвенного покрова от поверхности почвы до нижней поверхности почвенного покрова на границе с материнской породой грунта, причем количество пробных площадок на одном створе измерений и с одной стороны малой реки или ее притока принимают не менее трех, до биохимического анализа из проб почвы удаляют корни травяных растений, а по результатам биохимического анализа трех проб почвы на концентрацию химических веществ по каждой вертикальной структуре проводят статистическое моделирование для выявления устойчивых биотехнических закономерностей.

В местах взятия пробы измеряется полная глубина почвенного покрова, например, после выкопки шурфа до начала материнской породы.

При взятии проб почвы на множестве створов измерений координатную сетку формируют по результатам измерений множества вертикальных структур с учетом каждого одностороннего створа измерений, а также расстояний между створами измерений вдоль течения малой реки или ее притока по кромкам левого и правого берегов в отдельности.

Влияние удаленности точки взятия пробы почвы по расстоянию L_n от кромки берега реки на толщину h почвенного покрова до границы материнской породы и измеренные значения биохимических показателей рН, P₂O₅, K₂O, HNO₃ и сумму трех химических веществ СВ по данным биохимического анализа выявляют статистическим моделированием по общей формуле:

$$y=y_0\exp \left(\pm a_1{L}_n\right)\pm a_2{L}_n{}^{a_3}\exp \left(-a_4{L}_n\right)$$ ,

где y - любой показатель из перечня h, рН, P₂O₅, K₂O, HNO₃ и СВ;

L_n - расстояние от кромки берега вдоль створа измерений до точки взятия пробы травы на глубине 0-5 см, м;

y₀ - значение показателя при нулевом расстоянии, то есть непосредственно на кромке берега;

a₁…a₄ - параметры статистической модели, определяемые идентификацией вышеприведенной формулы по измеренным для конкретной местности значениям показателей.

Влияние толщины h почвенного покрова, или глубины от поверхности почвы до материнской породы, в точке взятия пробы почвы на биохимические показатели рН, P₂O₅, K₂O, HNO₃ и сумму трех веществ СВ по данным измерений выявляют статистическим моделированием по общей формуле:

$$y=y_0\exp \left(\pm a_{1}h\right)\pm a_2{h}^{a_3}\exp \left(-a_{4}h\right),$$

где y - любой показатель из перечня рН, P₂O₅, K₂O, HNO₃ и СВ;

h - толщина почвенного покрова, или глубина от поверхности почвы до границы материнской породы, в точке взятия пробы почвы, см;

y₀ - значение показателя при нулевой толщине, то есть непосредственно на поверхности почвы в месте взятия пробы;

a₁…a₄ - параметры статистической модели, определяемые идентификацией вышеприведенной формулы по измеренным для конкретной местности значениям биохимических показателей.

Влияние водной кислотности рН поверхностного слоя почвы толщиной 0-5 см в точке взятия пробы почвы на биохимические показатели P₂O₅, K₂O, HNO₃ и сумму этих же трех веществ СВ по данным измерений выявляют статистическим моделированием по общей формуле:

$$y=y_0\pm a_{1}p{H}^{a_2}\exp \left(-a_{3}pH\right)$$ ,

где y - любой показатель из перечня P₂O₅, K₂O, HNO₃ и СВ;

рН - кислотность пробы почвы, взятой в поверхностном слое 0-5 см, в точке взятия пробы почвы;

y₀ - значение показателя при теоретической нулевой кислотности почвы в месте взятия пробы;

а₁…а₄ - параметры статистической модели, определяемые идентификацией вышеприведенной формулы по измеренным для конкретной местности значениям показателей.

Сумма питательных веществ оказывается великолепным показателем-индикатором с сильнейшей теснотой связи с коэффициентом корреляции 0,992, поэтому для предварительных экспериментов по обследованию пойменного луга в первом приближении достаточно измерить кислотность почвы на поверхности пойменного луга, чтобы оценить сумму питательных веществ в почвенном слое в принятых с учетом рельефа точках измерения на глубине 0-5 см.

Для планирования полевых экспериментов закономерности с конкретными числовыми значениями параметров формул могут быть ориентировочно распространены не только на лесостепную зону Республики Марий Эл, но, после проведения тестовых экспериментов, и на любые земельные участки пойменных лугов по всей территории лесостепной зоны Российской Федерации.

Сущность технического решения заключается в том, что термин «агрохимический анализ» к пробам почвы под прирусловым пойменным лугом никак не подходит, потому что здесь пашни запрещены. Поэтому нами в данной заявке применяется термин «биохимический анализ» с расширенным объемом понятия. Кроме того, координатная сетка, применяемая в агрохимическом анализе почвы пашни, в биохимическом анализе проб почвы под пойменным лугом превращается в вертикальную плоскость на створе измерений перпендикулярно руслу малой реки или ее притока, причем второй координатой становится высота почвенного покрова под травяным покровом. Из-за сильной изменчивости этой высоты пробы почвы берутся из всей мощности почвы по глубине только на верхнем почвенном слое толщиной 0-5 см.

Сущность технического решения заключается также в том, что в местах взятия пробы измеряется полная глубина почвенного покрова, например, после выкопки шурфа.

Сущность технического решения заключается также и в том, что расстояние до точки взятия пробы измеряется по створу малой реки или ее притока перпендикулярно ее руслу начиная от кромки берега, причем взятие, по крайней мере, трех проб почвы выполняется на каждой стороне малой реки отдельно, а по результатам биохимического анализа трех проб почвы проводят статистическое моделирование для выявления устойчивых биотехнических закономерностей.

Новизна технического решения заключается в том, что впервые пробы почвы берутся вдоль створа на одной стороне малой реки или ее притока, дополнительно в точках взятия проб почвы после выкопки шурфа измеряется глубина до нижней поверхности почвенного покрова или высота в данной точке взятия пробы почвы.

Предлагаемое техническое решение обладает существенными признаками, новизной и значительным положительным эффектом. Материалов, порочащих новизну технического решения, нами не обнаружено.

приведена схема вертикального сечения второго створа малой реки Ировка с измеренными значениями параметров почвенного покрова; на фиг.2 показан график волнового влияния правой стороны речки Ировка шириной до 10 м на извилине запруды на изменение водной кислотности почвы; на фиг.3 даны графики изменения концентрации трех химических веществ и суммы веществ вдоль второго створа с учетом ширины малой реки; на фиг.4 даны шесть графиков изменения значений параметров почвенного слоя и покрова от расстояния поперек правого берега от кромки; на фиг.5 - четыре графика изменения концентрации питательных химических веществ в зависимости от толщины всего слоя почвы на правом берегу малой реки со стороны деревни;; на фиг.6 - график изменения суммы веществ в зависимости от толщины почвенного покрова; на фиг.7 показаны графики концентрации химических веществ в зависимости от водной кислотности поверхностного слоя почвы на правом берегу малой реки Ировка.

Способ биохимического анализа проб почвы на пойменном лугу малой реки содержит следующие действия.

Вертикальную структуру почвенного покрова принимают с каждой стороны в отдельности с учетом неоднородности покрова почвы и прибрежного рельефа у малой реки или ее притока в принятом перпендикулярно руслу реки створе измерений. При этом эта вертикальная структура в виде профиля определяется измерениями расстояния от кромки берега до точки взятия пробы на глубине почвенного слоя 0-5 см и высотой почвенного покрова от поверхности почвы до нижней поверхности почвенного покрова на границе с материнской породой грунта.

Причем количество пробных площадок на одном створе измерений и с одной стороны малой реки или ее притока принимают не менее трех. До проведения биохимического анализа из проб почвы удаляют корни травяных растений. По результатам биохимического анализа трех проб почвы на концентрацию химических веществ по каждой вертикальной структуре проводят статистическое моделирование для выявления устойчивых биотехнических закономерностей.

В местах взятия пробы измеряется полная глубина почвенного покрова, например, после выкопки шурфа до начала материнской породы.

При взятии проб почвы на множестве створов измерений координатную сетку формируют по результатам измерений множества вертикальных структур с учетом каждого одностороннего створа измерений, а также расстояний между створами измерений вдоль течения малой реки или ее притока по кромкам левого и правого берегов в отдельности.

Влияние удаленности точки взятия пробы почвы по расстоянию L_n от кромки берега реки на толщину h почвенного покрова до границы материнской породые и измеренные значения биохимических показателей рН, P₂O₅, K₂O, HNO₃ и сумму трех химических веществ СВ по данным биохимического анализа выявляют статистическим моделированием по общей формуле:

$$y=y_0\exp \left(\pm a_1{L}_n\right)\pm a_2{L}_n{}^{a_3}\exp \left(-a_4{L}_n\right)$$ ,

где y - любой показатель из перечня h, рН, P₂O₅, K₂O, HNO₃ и СВ;

L_n - расстояние от кромки берега вдоль створа измерений до точки взятия пробы травы на глубине 0-5 см, м;

y₀ - значение показателя при нулевом расстоянии, то есть непосредственно на кромке берега;

а₁…а₄ - параметры статистической модели, определяемые идентификацией вышеприведенной формулы по измеренным для конкретной местности значениям показателей.

Влияние толщины h почвенного покрова, или глубины от поверхности почвы до материнской породы, в точке взятия пробы почвы на биохимические показатели рН, P₂O₅, K₂O, HNO₃ и сумму трех веществ СВ по данным измерений выявляют статистическим моделированием по общей формуле:

$$y=y_0\exp \left(\pm a_{1}h\right)\pm a_2{h}^{a_3}\exp \left(-a_{4}h\right),$$

где y - любой показатель из перечня рН, P₂O₅, K₂O, HNO₃ и СВ;

h - толщина почвенного покрова, или глубина от поверхности почвы до границы материнской породы, в точке взятия пробы почвы, см;

y₀ - значение показателя при нулевой толщине, то есть непосредственно на поверхности почвы в месте взятия пробы;

a₁…a₄ - параметры статистической модели, определяемые идентификацией вышеприведенной формулы по измеренным для конкретной местности значениям биохимических показателей.

Влияние водной кислотности рН поверхностного слоя почвы толщиной 0-5 см в точке взятия пробы почвы на биохимические показатели P₂O₅, K₂O, HNO₃ и сумму этих же трех веществ СВ по данным измерений выявляют статистическим моделированием по общей формуле:

$$y=y_0\pm a_{1}p{H}^{a_2}\exp \left(-a_{3}pH\right)$$ ,

где y - любой показатель из перечня P₂O₅, K₂O, HN₃ и СВ;

рН - кислотность пробы почвы, взятой в поверхностном слое 0-5 см, в точке взятия пробы почвы;

y₀ - значение показателя при теоретической нулевой кислотности почвы в месте взятия пробы;

a₁…a₄ - параметры статистической модели, определяемые идентификацией вышеприведенной формулы по измеренным для конкретной местности значениям показателей.

Сумма питательных веществ оказывается великолепным показателем-индикатором с сильнейшей теснотой связи с коэффициентом корреляции 0,992, поэтому для предварительных экспериментов по обследованию пойменного луга в первом приближении достаточно измерить кислотность почвы на поверхности пойменного луга, чтобы оценить сумму питательных веществ в почвенном слое в принятых с учетом рельефа точках измерения на глубине 0-5 см.

Способ биохимического анализа проб почвы на пойменном лугу малой реки, например на прирусловом пойменном лугу в охранной зоне малой реки, выполняется следующими действиями.

Участок луга с испытуемым травяным и почвенным покровами выделяют на прирусловой территории малой реки на одной стороне реки. Затем на характерных местах рельефа разбивают створы измерений перпендикулярно руслу малой реки. В створе наблюдений намечают две системы прямоугольных координат вертикальной структуры почвенного слоя:

1) с началом координат 1 с расстоянием L до точки I на месте 2 взятия пробы почвы на другой стороне малой реки, а затем, с учетом ширины малой реки, по точкам II, III и IV на выбранном, для измерений и испытаний биохимическим анализом, участке пойменного луга;

2) с началом координат на кромке 3 берега со стороны испытуемого участка пойменного луга с расстоянием L_n до точек II, III и IV взятия проб.

Пробы почвы берутся с поверхностного слоя 4 толщиной 0-5 см у почвенного покрова 5, имеющего нижнюю границу 6 поверхности с материнской породой грунта. При этом эта вертикальная структура в виде профиля определяется измерениями расстояния L_n от кромки берега до точки взятия пробы на глубине почвенного слоя 0-5 см и высотой h почвенного покрова от поверхности почвы до нижней поверхности почвенного покрова на границе с материнской породой грунта.

Причем количество пробных площадок на одном створе измерений и с одной стороны малой реки или ее притока принимают не менее трех. До проведения биохимического анализа из проб почвы удаляют корни травяных растений. По результатам биохимического анализа трех проб почвы на концентрацию химических веществ по каждой вертикальной структуре проводят статистическое моделирование для выявления устойчивых биотехнических закономерностей.

В местах взятия пробы измеряется полная глубина почвенного покрова, например, после выкопки шурфа до начала материнской породы.

При взятии проб почвы на множестве створов измерений координатную сетку формируют по результатам измерений множества вертикальных структур с учетом каждого одностороннего створа измерений, а также расстояний между створами измерений вдоль течения малой реки или ее притока по кромкам левого и правого берегов в отдельности.

Влияние удаленности точки взятия пробы почвы по расстоянию L_n от кромки берега реки на толщину h почвенного покрова до границы материнской породые и измеренные значения биохимических показателей рН, P₂O₅, K₂O₅, HNO₃ и сумму трех химических веществ СВ по данным биохимического анализа выявляют статистическим моделированием по общей формуле:

$$y=y_0\exp \left(\pm a_1{L}_n\right)\pm a_2{L}_n{}^{a_3}\exp \left(-a_4{L}_n\right)$$ ,

где y - любой показатель из перечня h, рН, P₂O₅, K₂O, HNO₃ и СВ;

L_n - расстояние от кромки берега вдоль створа измерений до точки взятия пробы травы на глубине 0-5 см, м;

y₀ - значение показателя при нулевом расстоянии, то есть непосредственно на кромке берега;

a₁…a₄ - параметры статистической модели, определяемые идентификацией вышеприведенной формулы по измеренным для конкретной местности значениям показателей.

Влияние толщины h почвенного покрова, или глубины от поверхности почвы до материнской породы, в точке взятия пробы почвы на биохимические показатели рН, P₂O₅, K₂O, HNO₃ и сумму трех веществ СВ по данным измерений выявляют статистическим моделированием по общей формуле:

$$y=y_0\exp \left(\pm a_{1}h\right)\pm a_2{h}^{a_3}\exp \left(-a_{4}h\right),$$

где y - любой показатель из перечня рН, P₂O₅, K₂O, HNO₃ и СВ;

h - толщина почвенного покрова, или глубина от поверхности почвы до границы материнской породы, в точке взятия пробы почвы, см;

y₀ - значение показателя при нулевой толщине, то есть непосредственно на поверхности почвы в месте взятия пробы;

а₁…а₄ - параметры статистической модели, определяемые идентификацией вышеприведенной формулы по измеренным для конкретной местности значениям биохимических показателей.

Влияние водной кислотности рН поверхностного слоя почвы толщиной 0-5 см в точке взятия пробы почвы на биохимические показатели P₂O₅, K₂O, HNO₃ и сумму этих же трех веществ СВ по данным измерений выявляют статистическим моделированием по общей формуле:

$$y=y_0\pm a_{1}p{H}^{a_2}\exp \left(-a_{3}pH\right)$$ ,

где y - любой показатель из перечня P₂O₅, K₂O, HNO₃ и СВ;

рН - кислотность пробы почвы, взятой в поверхностном слое 0-5 см, в точке взятия пробы почвы;

у₀ - значение показателя при теоретической нулевой кислотности почвы в месте взятия пробы;

а₁…а₄ - параметры статистической модели, определяемые идентификацией вышеприведенной формулы по измеренным для конкретной местности значениям показателей.

Сумма питательных веществ оказывается великолепным показателем-индикатором с сильнейшей теснотой связи с коэффициентом корреляции 0,992, поэтому для предварительных экспериментов по обследованию пойменного луга в первом приближении достаточно измерить кислотность почвы на поверхности пойменного луга, чтобы оценить сумму питательных веществ в почвенном слое в принятых с учетом рельефа точках измерения на глубине 0-5 см.

Пример. Река Ировка находится в Параньгинском районе РМЭ и расположена на территории Илетьского возвышенно-равнинного южнотаежного района с развитием современного карста. Рельеф территории отличается сложностью. Глубина эрозионного расчленения составляет 125-160 м, местами возрастает до 175 м. Густота овражно-балочной сети колеблется в пределах 100-1300 м/км². Общая длина реки Ировка составляет 61,6 км, суммарная длина ее с притоками и ручьями - 140,3 км. Коэффициент извилистости речной сети будет равен 140,3/61,6=2,278. Водосборная площадь реки Ировка равна 918 км² и состоит, в основном, из сельскохозяйственных угодий. Долина реки Ировка неясно выраженного типа. Русло реки извилистое, берега обрывистые. Пойма реки используется для выпаса скота и сенокошения.

Объединенные бассейном реки Илеть Моркинская и Сотнурская возвышенности вместе с останцовыми поднятиями и снивелировавшими их зандровыми полями составляют единое целое. Территорию отличает высокая динамичность рельефа, многообразие форм, созданных поверхностными и подземными водами, а также пестрый состав почвообразующих и подстилающих пород. Все это обуславливает большой разнотипный состав литогенной основы ландшафтных единиц.

Почвенный покров водораздельных равнин и их склонов представлен зональными дерново-слабо- и среднеподзолистыми почвами. В долинах рек и в эрозионных формах рельефа формируются почвы дерново-лугового и меньше - болотного типов.

Взятие и биохимический анализ проб почвы

В створах Ировки были взяты пробы почвы для агрохимического анализа на кислотность рН и трех питательных веществ - подвижный фосфор P₂O₅, подвижный калий K₂O и азот нитратный HNO₃.

На формирование почв оказывают непрерывное воздействие такие основные природные факторы, как климат, рельеф, гидрография территории и гидрология почв и пород. Перечисленные факторы обуславливают свойства почв, которые в большой степени влияют на траву.

Климатические условия. Землепользование расположено в северо-восточном агроклиматическом отношении, район можно охарактеризовать как менее всего в РМЭ обеспеченный теплом с неравномерным, но в целом достаточным увлажнением.

Средняя годовая температура воздуха составляет в среднем 2,2°С. В июле среднемесячная температура в обычные годы имеет около 18,5-19°С, достигая в отдельные дни 36°С. Теплый период (со среднесуточной температурой воздуха выше 0°С) продолжается в среднем 200 суток (с 7-8 мая по 25 октября). Вегетационный период в районе проведения экспериментов короткий - около 165 дней, из них в среднем 125-130 дней температура воздуха бывает выше 10°С. За это время, с 8-11 мая по 15-16 сентября, накапливается сумма положительных температур 1950-2050°С.

Гидротермический коэффициент за период интенсивного роста растений равен 1,0-1,2. Относительная влажность воздуха (среднегодовая 70%) имеет наибольшую значение осенью и зимой - до 85%, наименьшую - летом - в конце мая-июня - 65%. Ветры преобладают южные и только в зимние месяцы - северные.

Геологическое строение позволяет выделить следующие почвообразующие (материнские) и подстилающие породы:

1) коренные (верхнепермские отложения): известняки и мергели, красноцветные карбонатные глины и суглинки; пермские пески и супеси;

2) четвертичные отложения, т.е. покровные глины и суглинки;

3) современные аллювиальные и делювиальные отложения речных долин и оврагов.

Результаты биохимического анализа. Поисковые эксперименты по изучению почвы были проведены на правой стороне второго створа измерений. По данным наблюдений и анализа проб почвы летом 2009 г. ниже даны результаты по второму створу реки Ировка (табл.1 и фиг.1).

Таблица 1 Результаты агрохимического анализа почвы на втором створе реки Ировка Наименование показателя Обозначение Ед. изм. Порядковые номера проб почвы Оптимальные значения I II III IV Расстояние вдоль створа реки L, м 35 58 68 148 - Расстояние от кромки берега L_n, м - 10 20 100 - Почвенный слой h см влажный 53 110 32 - Кислотность рН - 5,8 6,3 6,6 6Д 6,0-7,0 Подвижный фосфор P₂O₅ мг/кг 84 74 14 56 320 Подвижный калий K₂O мг/кг 100,2 45 67 102 250 Азот нитратов HNO₃ мг/кг 1,66 6,5 3,4 1,59 30 Сумма веществ СВ мг/кг 185,86 125,5 84,4 159,59 -

Первая проба почвы относится к левой стороне реки на излучине, где за последние годы формируется новый водоток в обход плотины. Остальные три пробы почвы находятся на правой стороне реки со стороны деревни.

Влияние расстояния вдоль створа реки. В зависимости от расстояния L вдоль створа (фиг.1) по данным таблицы 1 получена (фиг.2) закономерность изменения кислотности

$$pH=\mathrm{6,128}+\mathrm{2,7086}\cdot {10}^{-5}{L}^{\mathrm{3,41937}}\exp \left(-\mathrm{0,06851}L\right)\cos \left(\pi L/\mathrm{26,877}-\mathrm{1,746}\right)\left(1\right)$$

Параметр водной кислотности наиболее характерен для почвы пойменного луга. Он показывает, что речка шириной до 10 м оказывает сильное волновое возмущение на химический состав почвы пойменного луга.

Агрохимический анализ был проведен сотрудниками ФГУ Станция агрохимической службы «Марийская». По остальным химическим веществам после моделирования исходных данных из таблицы 1 были получены формулы (фиг.3):

$$\begin{array}{c}{P}_2{O}_5=\mathrm{295,7460}\exp \left(-\mathrm{0,56016}{L}^{\mathrm{0,25829}}\right)-\\ -120916\cdot {10}^{-6}{L}^{\mathrm{4,88974}}\exp \left(-\mathrm{0,036688}L\right)\cos \left(\pi L/\mathrm{43,9010}+\mathrm{0,32425}\right)\left(2\right)\end{array}$$

$$\begin{array}{c}{K}_{2}O=\mathrm{68,68009}\exp \left(\mathrm{0,00016404}{L}^{\mathrm{1,51989}}\right)-\\ -\mathrm{60,09200}{L}^{\mathrm{0,05162}}\exp \left(-\mathrm{0,015845}L\right)\cos \left(\pi L/\mathrm{29,14239}+\mathrm{0,16580}\right)\left(3\right)\end{array}$$

$$\begin{array}{c}HN{O}_3=\mathrm{4,36325}\exp \left(-\mathrm{0,0040049}L\right)+\\ +\mathrm{3,94850}{L}^{\mathrm{0,045643}}\exp \left(-\mathrm{0,0061430}L\right)\cos \left(\pi L/\mathrm{27,84734}+\mathrm{0,15817}\right)\left(4\right)\end{array}$$

$$\begin{array}{c}CB=\mathrm{131,9317}\exp \left(\mathrm{0,0012339}L\right)-\\ \mathrm{0,00085811}{L}^{\mathrm{4,02961}}\exp \left(-\mathrm{0,085874}L\right)\cos \left(\pi L/\mathrm{27,66043}-\mathrm{1,65778}\right)\left(5\right)\end{array}$$

Из этих уравнений видно, что существует общая биотехническая закономерность изменения питательных химических веществ в зависимости от расстояния поперек малой реки. Чтобы окончательно доказать это, необходимо промоделировать эти же данные по правой стороне реки Ировка.

Влияние удаленности пробы от кромки берега реки. Примем за влияющую переменную расстояние от кромки берега L_n (фиг.1). На фигуре 4 приведены все возможные зависимости по формулам:

$$h=\mathrm{26,368}\exp \left(-\mathrm{0,034782}{L}_n\right)+\mathrm{0,25924}{L}_n{}^{\mathrm{2,39319}}\exp \left(-\mathrm{0,062311}{L}_n\right)\left(6\right)$$

$$pH=\mathrm{6,25140}\exp \left(-\mathrm{0,0045467}{L}_n\right)+\mathrm{0,0063685}{L}_n{}^{\mathrm{1,82163}}\exp \left(-\mathrm{0,025752}{L}_n\right)\left(7\right)$$

$$P_2{O}_5=\mathrm{87,4403}-\mathrm{0,0067212}{L}_n{}^{\mathrm{3,66744}}\exp \left(-\mathrm{0,084386}{L}_n\right)\left(8\right)$$

$$K_{2}O=\mathrm{9,76074}{L}_n{}^{\mathrm{0,70227}}\exp \left(-\mathrm{0,0088748}{L}_n\right)\left(9\right)$$

$$HN{O}_3=\mathrm{1,33563}\exp \left(\mathrm{0,0017433}{L}_n\right)+\mathrm{0,78485}{L}_n{}^{\mathrm{1,74913}}\exp \left(-\mathrm{0,21480}{L}_n\right)\left(10\right)$$

$$CB=\mathrm{142,0518}\exp \left(\mathrm{0,0012897}{L}_n\right)-\mathrm{0,026502}{L}_n{}^{\mathrm{3,31665}}\exp \left(-\mathrm{0,10942}{L}_n\right)\left(11\right)$$

Таким образом, на берегу также проявляется общая закономерность, но без волнового влияния самой реки. Поэтому это позволяет выделить расстояние от кромки берега малой реки до точки взятия пробы почвы на поверхностном слое почвы 0-5 см как важнейший влияющий фактор, определяющий формирование от берега реки почвенного покрова с переменной глубиной. Но при этом травяной покров растет непосредственно на поверхности почвы и корни травяных растений питаются в основном на глубине поверхностного слоя почвы толщиной всего 0-5 см. Это позволяет принять уровень взятия проб почвы только в поверхностном слое 0-5 см, что известно из прототипа.

Влияние толщины почвенного покрова. По результатам моделирования данных таблицы 1 заметно, что толщина всего слоя почвы над материнской породой влияет на биохимические показатели поверхностного слоя толщиной 0-5 см.

На графиках (фиг.5 и фиг.6) дано влияние толщины h по формулам:

$$pH=\mathrm{5,8495}+\mathrm{0,0010691}{h}^{\mathrm{1,69194}}\exp \left(-\mathrm{0,012718}h\right)\left(12\right)$$

$$P_2{O}_5=\mathrm{0,0013412}{h}^{\mathrm{3,78764}}\exp \left(-\mathrm{0,077732}h\right)\left(13\right)$$

$$K_{2}O=\mathrm{182,8199}\exp \left(\mathrm{0,00070870}h\right)-\mathrm{0,054894}{h}^{\mathrm{2,42260}}\exp \left(-\mathrm{0,032841}h\right)\left(14\right)$$

$$HN{O}_3=\mathrm{4,64972}\cdot {10}^{-8}{h}^{\mathrm{5,85963}}\exp \left(-\mathrm{0,085571}h\right)\left(15\right)$$

$$CB=\mathrm{255,63738}\exp \left(-\mathrm{0,073991}{h}^{\mathrm{0,72633}}\right)+\mathrm{57,4167}\left(16\right)$$

Сравнение формул показывает, что сумма питательных веществ в почве изменяется по той же закономерности, по которой определялась динамика сушки травы, то есть динамика обезвоживания пробы у срезанной надземной части травы. Этот закон позволяет сразу же ориентировочно оценивать наличие суммы веществ на разных глубинах почвенного покрова даже без выкопки шурфов, взятия проб на разных глубинах от поверхности почвы и проведения дополнительного биохимического анализа. На ранее нами было доказано, что в общем случае закономерность включает вторую составляющую в виде биотехнического закона (см. сборник статей: Охрана и защита, обустройство, индикация и тестирование природной среды. Сб. статей студ., асп. и преп.: Научно-учеб. изд. / Научн. ред. П.М.Мазуркин. М.: Академия Естествознания, 2010. 352 с).

Влияние водной кислотности поверхностного слоя почвы. Дальше превратим в объясняющую переменную водородный показатель.

В зависимости от нее были получены (фиг.7) уравнения:

$$P_2{O}_5=\mathrm{337,9603}-\mathrm{12,26919}p{H}^{\mathrm{1,71533}}\left(17\right)$$

$$K_{2}O=\mathrm{444,3634}-\mathrm{65,28693}p{H}^{\mathrm{0,94437}}\left(18\right)$$

$$HN{O}_3=\mathrm{6,17574}\cdot {10}^{-5}p{H}^{\mathrm{6,70472}}\exp \left(-\mathrm{0,22031}pH\right)\left(19\right)$$

$$CB=\mathrm{786,5617}-\mathrm{67,21126}p{H}^{\mathrm{1,24143}}\left(20\right)$$

Все четыре уравнения имеют содержательный смысл, так как коэффициент корреляции у них больше 0,3.

Однако сумма питательных веществ оказывается великолепным показателем-индикатором с коэффициентом корреляции 0,992. Поэтому получается, что в первом приближении достаточно измерить кислотность почвы на поверхности пойменного луга, чтобы оценить сумму питательных веществ в почвенном слое на уровне глубины 0-5 см.

Достоинством способа является также и то, что вышеприведенные закономерности, с конкретными числовыми значениями параметров формул, могут быть ориентировочно распространены не только на лесостепную зону Республики Марий Эл, но, после проведения тестовых экспериментов, и на все территории лесостепной зоны Российской Федерации. Это исходит из принципа инвариантности физиологического поведения почвы как живого организма (по теории почвы В.В.Докучаева). Поэтому выявленные биотехнические закономерности относятся к фундаментальным математическим уравнениям и являются частным случаем более общей двухчленной детерминированной статистической модели из двух биотехнических законов.

Предлагаемый способ прост для практической реализации и при этом требует меньшей трудоемкости. Он позволяет узнать закономерности поведения почвенного покрова по отдельности с каждой стороны малой реки или ее притока. Кислотность поверхностного слоя 0-5 см почвы и, по крайней мере, по три пробы почвы с этого же слоя, взятые на разных расстояниях от кромки берега малой реки вдоль одного створа измерений, могут стать индикаторами качества всего почвенного покрова участка пойменного луга, примыкающего по однородности параметров рельефа к этому створу измерений.

Изобретение относится к области экологического мониторинга, почвоведения и лесоведения. Способ включает определение места, частоты, длительности отбора проб почвы на исследуемой территории. Для этого намечают площадки отбора по координатной сетке, указывая их номера и координаты. Причем отбор проб проводят с учетом вертикальной структуры, неоднородности покрова почвы, рельефа и климата местности. При исследовании сельскохозяйственных угодий пробы отбирают с глубины от 0 до 5 см. Вертикальную структуру почвенного покрова принимают с каждой стороны в отдельности с учетом неоднородности покрова почвы и прибрежного рельефа у малой реки или ее притока в принятом перпендикулярно руслу реки створе измерений. При этом вертикальная структура в виде профиля определяется измерениями расстояния от кромки берега до точки взятия пробы на глубине почвенного слоя 0-5 см и высотой почвенного покрова от поверхности почвы до нижней поверхности почвенного покрова на границе с материнской породой грунта. Причем количество пробных площадок на одном створе измерений и с одной стороны малой реки или ее притока принимают не менее трех. До биохимического анализа из проб почвы удаляют корни травяных растений, измеряют значения биохимических показателей pH, P₂O₅, K₂O, HNO₃, сумму подвижного калия, фосфора и азота нитратов. По результатам биохимического анализа трех проб почвы на концентрацию химических веществ по каждой вертикальной структуре проводят статистическое моделирование для выявления устойчивых биотехнических закономерностей. Способ позволяет повысить точность взятия проб почвы под пойменным лугом для сопоставления измеренных концентраций биохимических веществ в почвенном покрове. 6 з.п. ф-лы, 7 ил., 1 пр.

1. Способ биохимического анализа проб почвы на пойменном лугу малой реки, включающий определение места, частоты, длительности отбора проб почвы на исследуемой территории, для чего намечают площадки отбора по координатной сетке, указывая их номера и координаты, причем отбор проб проводят с учетом вертикальной структуры, неоднородности покрова почвы, рельефа и климата местности, а при исследовании сельскохозяйственных угодий пробы отбирают с глубины от 0 до 5 см, отличающийся тем, что вертикальную структуру почвенного покрова принимают с каждой стороны в отдельности с учетом неоднородности покрова почвы и прибрежного рельефа у малой реки или ее притока в принятом перпендикулярно руслу реки створе измерений, при этом эта вертикальная структура в виде профиля определяется измерениями расстояния от кромки берега до точки взятия пробы на глубине почвенного слоя 0-5 см и высотой почвенного покрова от поверхности почвы до нижней поверхности почвенного покрова на границе с материнской породой грунта, причем количество пробных площадок на одном створе измерений и с одной стороны малой реки или ее притока принимают не менее трех, до биохимического анализа из проб почвы удаляют корни травяных растений, измеряют значения биохимических показателей pH, P₂O₅, K₂O, HNO₃, сумму подвижного калия, фосфора и азота нитратов, а по результатам биохимического анализа трех проб почвы на концентрацию химических веществ по каждой вертикальной структуре проводят статистическое моделирование для выявления устойчивых биотехнических закономерностей.

2. Способ биохимического анализа проб почвы на пойменном лугу малой реки по п.1, отличающийся тем, что в местах взятия пробы измеряется полная глубина почвенного покрова, например, после выкопки шурфа до начала материнской породы.

3. Способ биохимического анализа проб почвы на пойменном лугу малой реки по п.1, отличающийся тем, что при взятии проб почвы на множестве створов измерений координатную сетку формируют по результатам измерений множества вертикальных структур с учетом каждого одностороннего створа измерений, а также расстояний между створами измерений вдоль течения малой реки или ее притока по кромкам левого и правого берегов в отдельности.

4. Способ биохимического анализа проб почвы на пойменном лугу малой реки по п.1, отличающийся тем, что влияние удаленности точки взятия пробы почвы по расстоянию L_n от кромки берега реки на толщину h почвенного покрова до границы материнской породы и измеренные значения биохимических показателей pH, P₂O₅, K₂O, HNO₃ и сумму подвижного калия, фосфора и азота нитратов по данным биохимического анализа выявляют статистическим моделированием по общей формуле:
,
где y - любой показатель из перечня h, pH, P₂O₅, K₂O, HNO₃ и суммы подвижного калия, фосфора и азота нитратов;
L_n - расстояние от кромки берега вдоль створа измерений до точки взятия пробы травы на глубине 0-5 см, м;
y₀ - значение показателя при нулевом расстоянии, то есть непосредственно на кромке берега;
a₁-a₄ - параметры статистической модели, определяемые идентификацией вышеприведенной формулы по измеренным для конкретной местности значениям показателей.

5. Способ биохимического анализа проб почвы на пойменном лугу малой реки по п.1, отличающийся тем, что влияние толщины h почвенного покрова, или глубины от поверхности почвы до материнской породы, в точке взятия пробы почвы на биохимические показатели pH, P₂O₅, K₂O, HNO₃ и сумму подвижного калия, фосфора и азота нитратов по данным измерений выявляют статистическим моделированием по общей формуле:

где y - любой показатель из перечня pH, P₂O₅, K₂O, HNO₃ и суммы подвижного калия, фосфора и азота нитратов;
h - толщина почвенного покрова, или глубина от поверхности почвы до границы материнской породы, в точке взятия пробы почвы, см;
y₀ - значение показателя при нулевой толщине, то есть непосредственно на поверхности почвы в месте взятия пробы;
a₁-a₄ - параметры статистической модели, определяемые идентификацией вышеприведенной формулы по измеренным для конкретной местности значениям биохимических показателей.

6. Способ биохимического анализа проб почвы на пойменном лугу малой реки по п.1, отличающийся тем, что влияние водной кислотности pH поверхностного слоя почвы толщиной 0-5 см в точке взятия пробы почвы на биохимические показатели P₂O₅, K₂O, HNO₃ и сумму подвижного калия, фосфора и азота нитратов по данным измерений выявляют статистическим моделированием по общей формуле:

где y - любой показатель из перечня P₂O₅, K₂O, HNO₃ и суммы подвижного калия, фосфора и азота нитратов;
pH - кислотность пробы почвы, взятой в поверхностном слое 0-5 см, в точке взятия пробы почвы;
y₀ - значение показателя при теоретической нулевой кислотности почвы в месте взятия пробы;
a₁-a₄ - параметры статистической модели, определяемые идентификацией вышеприведенной формулы по измеренным для конкретной местности значениям показателей.

7. Способ биохимического анализа проб почвы на пойменном лугу малой реки по п.1, отличающийся тем, что для предварительных экспериментов по обследованию пойменного луга измеряют кислотность почвы на поверхности пойменного луга, чтобы оценить сумму питательных веществ в почвенном слое в принятых с учетом рельефа точках измерения на глубине 0-5 см.