Способ определения биологическойпРОдуКТиВНОСТи РАСТиТЕльНОСТи изАпАСА гуМуСА B пОчВЕ Советский патент 1981 года по МПК G01N33/24 

вещества, несмотря на свое общее небольшое количество в почвах по сравнению с остальными, не превышаю щее 10-15 вес.%, однозначно характе ризуют Типы почв и играют исключительно важное значение для почвообр зования и плодородия. в основе.метода определения гуму са почв и биологической продуктивности растительности лежит следующе физическое явление. noTOk галактиче ких космических лучей, взаимодействуя с атмосферой Земли, образует в ней потоки вторичных частиц, в то числе и нейтронов. Плотность потока последних у земной поверхности равна примерно (5-7)-10 част.. Неупругое рассеивание нейтронов с ядрами углерода приводит к возбужде нию дискретных уровней этих ядер. Последующий переход возбужденйых ядер в основное состояние происходит с испусканием -jf-квантов с энер гиями, равньми разности энергии воз0|ужденного и основного состояний Наибольшими сечениями возбуждения облад-ают уровни 4,4 и 7,5 МэВ. Измерение Интенсивности потоков -квантов с такими энергиями вбли зи земной пойеркности дает информацию о количестве углеродсодержащих веществ (биомассы, гумуса) на поверхнойти земли, в почве. Рассмотрим случай определения ко личества гумуса в почвах с малым растительным покровом (степная зона) . Распределение гумуса в почве ,по глубине 2 можно приближенно описат экспоненциальной зависимостью вида Alz) А-е , где А - объемная кон центрация гумуса на поверхности поч вы (при Z 0), b - коэффициент, характеризующий степень убывания со держания гумуса С глубины. Значение коэффициента b определяется типом почвы Kf как показывает анализ мате риалов, колеблется от 0,015 см- /г для выщелоченных черноземов до 0,050 для подзолистьис почв. Запас гумуса Г определяется выраже нием . °°00 --Ale dz-- - 1 о 00 Поток Т -квантов Зу с энергией ЕО 4,44 МэВ на высоте h определяется выражением -«flPeli ki oCile. массовые коэффициенты поглощения т-кваитов с энергией 4 ,.4 МэВ в во духе и почве ( ,03 ), Pg 1,29-10 г/см - плотность воздуха, о 1,5 г/см - плотность почвы, h - высота наблюдения в атмосфере, см; 3o(Z) - распределение плотности источника - -квантов с глубиной. . . квант 3ot) (З) е -0,015 см г - макроскопическое сечение возбуждения уровня 4,4 МэВ ядра Pfi - I - поток нейтроР nf - плотность угле рода в почве; эффициент учитывает тот факт, о весовое содержание углерода в мусе составляет примерно 50%. Подставляя (3) в (2) находим, , П -Oi25A a I о Ь- -хГ -4 . I . -0,22-10 А ---5г г C)v. с О Ь : X отношения (1) и (k) устанавливают висимость потока «J--квантов с энерей 4,44 МэВ от запаса гумуса в чве Г. из (1) и С) следует, что а зависимость линейна и может быть писана выражением вида , .(5) ачение коэффициента а для разчных Ъ при измерении на высоте 25 м предстёшлены ниже, а о 3,73-10 1,96-10 1,79-10 0,045 Проанализируем случай определения ологической продуктивности растильного покрова. , Рассматривая растительный покров к одиородный слой с плотностью р 1 г/см и содержанием углерода, вным 50%, получим для распределея источников -у-квантов Cz) 0,53 р 4..г. о-, «(г)0 -hpi -OflfT-o е Zg - массовая толщина растительного покрова, г/см. Выражение для потока у-квантов еет вид J f ZO Xjpz 2.25-io- Jdxe Id2e. в оо TiS-io J dxe Соотношения {6) и (7) устанавлива ют связь между биологической продук тивностью Б Z(j и потоком Т-квантов. Непосредственный расчет в соот цетствии с (6) и (7) показывает, что эта зависимость может быть аппроксимирована выражением вида Б +-а,2,33 Для высоты h 25 м значения коэффициентов а, 5,98-10 , а2 2,20-10. Оценим влияние гумуса почвы на определение биологической продуктив ности растительного покрова. Поток ЗГ-квантов гумуса, содержащегося в почве под растительным покровом толщиной Z определяется выражением V°22.loVdx - (9) Расчет по формуле (9) показывает, что биомасса леса с запасом 5 г/см цает поток Т-квантов на высоте 25 м ЗУ 6,92-10 квант/см -с. Гумус с Ъ 0,03 той же мощности дает эт почв 3 1,64-10 квант/см -с. Однако согласно данным табл. запасы гумуса в метровом слое почв под лесами составляют 0,3-0,6 от запаса биомассы в лесу. Поэтому влияние потока у-излучения гумуса почв, находящегося под пологом леса, не превысит 10-15, от соответствующего потока у-излучения лесного покрова. .Общая биомасса леса и запас гумуса в почвах под пологом леса приведены в таблице.

Общая биомасса, т/га

Запас гумуса

в почвах в

слое

0-100 см т/га Оценим статическую погрешность предложенного метода. Ожидаемые пот ки - --квантов на высоте 25 м от поверхности Земли составляют примерно (2-5) 10 квант/см -с при запасе биомассы 3-4 г/см или мощности гумусового слоя, равной той же величине. При площади детектора 10 см и времени наблюдения 2 Ю с интенсивность составляет 400-1000 имп, что обеспечивает 3-5%-ную погрешнос измерений. Очевидно, что точность измерения легко может быть увеличена при наземных измерениях запаса гумуса в почвах, а также путем увеличения времени наблюдения и площад детектора. П р им е р. Определение гумуса в почвах и биологической продуктивности лесной растительности произво дится в лесостепной зоне. Измерения выполняются с самолета АН-2 с использованием многоканального Y -спектрометра,о несколькими дете торами иа кристаллах Na3(Те) с общей площадью 0,2 мД Высота полета 25 м Район ра.бот - центральные области Русской равнины. Исследуется сосняк липняковый. Бонитет 1. Древостой сосны хорошего роста, иногда с примесью березы, осины и ели. Под пологом леса развиты почвы дерново-cjjaбо- и среднеподзолистые Супесчаные

410

400

100-330

282

215 или песчаные на двучленных песчаноглинистых наносах. Протяженность леса 16 км. Скорость полета самолета 160 км/ч. Над лесным массивом самолет проходит в прямом и обратном направлении 10 раз, т.е. время наблюдения 3660 с. При этом зарегистрировано 400 имп. в области фотопика с энергией 4,44 МэВ. В соответствии с ранее полученной калибровочной зависимостью зарегистрированный поток соответствует запасу биомассы, 4,5 г/см . Влиянием гумуса почв, находящихся под пологом леса, пренебрегают. Аналогичные измерения над прилеганвдими дерновоподзолистыми почвами дгиот запас гумуса 1,5 г/см при принятом значении Ь 0,05 .. Время измерения над почвами 5000 с. Стабильность нейтронного потока контролируется по показаниям установленного на земле нейтронного монитора. Использование изобретения позвоит существенно повысить производиельность работ, по определению на ольших площадях биологической продуктивности леса и запаса гумуса is почвах с использованием авиации. Это принесет особенно большой эффект в труднодоступных районах Сибири и альнего .востока. По сравнению с методом таксации леса здесь можно

ожидать экономию в размере 50 р. на 1 га леса.

Формула изобретения

1, Способ определения биологической продуктивности растительности и запаса гумуса в почве, о т л ичающийся тем, что, с целью повышения производительности и точности определения искомой величины на больших территориях, в пункте наблюдения измеряют естественное -излучение ядер углерода контролируют стабильность потока нейтронов на поверхности земли, калибруют

измерительную аппаратуру и определяют биологическую продуктивность растительности и запас гумуса в почве По интенсивности регистрируемых линий 3 -излучения ядер углерода и установленной калибровочной зависимости.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

2.Роде А.А. и Смирнов В.И. Почвоведение. М. ,Высшая школа, 1972.