The influence of different types of land use on spatial variation in exchangeable acidity and organic carbon content in the middle taiga subzone of Karelia

Своевременная диагностика изменения почвенного покрова и, в частности, снижения почвенного плодородия, является одной из актуальнейших задач для почвенно-охранной деятельности и рационального природопользования. Знание неоднородности почвенных свойств позволяет использовать изученные признаки их состава и свойств при мониторинге состояния почв, обосновании прогнозов их поведения при изменении условий функционирования. В частности, в связи с развитием адаптивно-ландшафтного земледелия оценка варьирования показателей почвенных свойств, способствует принятию оптимальных решений при реализации стратегии точного земледелия

Пространственная неоднородность почв и почвенных свойств возникает в ходе действия сложных процессов, работающих в течение длительных периодов времени на различных иерархических уровнях в зависимости от конкретных условий развития почв. Пространственное варьирование признаков почвы определяется целым рядом факторов, часть из которых могут иметь случайный характер, другие — регулярность в пространстве. Соответственно пространственная неоднородность почвы имеет двойственную природу. В ней можно выделить регулярные, закономерные составляющие и случайные компоненты

Изменение варьирования различных показателей при окультуривании земель происходит сложным образом. С одной стороны, при сельскохозяйственном использовании в почве формируется пахотный горизонт, который нивелирует генетические свойства почв и почвообразующих пород в пределах поля

Таким образом, решающим фактором, обусловившим неоднородность в содержании элементов питания в пахотном слое окультуренных почв, является не столько различие в видах почв, сколько характер производственной деятельности человека — господствовавшая система земледелия и система удобрения. Цель данной работы — изучение влияния различных типов землепользования на пространственное варьирование актуальной кислотности и содержания органического углерода в дерново-подзолистых почвах.

Исследования проводились в окрестностях г. Петрозаводска на территории агробиологической станции Карельского научного центра. Здесь относительно компактно располагаются сельхозугодья, активно использующиеся в настоящее время (пашни, сенокос), а также постагрогенные фитоценозы (лесные сообщества различного возраста).

Рельеф района исследования представляет собой моренную холмистую равнину. Имеется пологий склон к реке в направлении восток-запад.

Наибольшую территорию станции занимают подзолистые, суглинистые и глинистые почвы на суглинистой валунной морене, и глее-подзолистые суглинистые почвы. Также значительная часть земель приходится на дерновые оподзоленные почвы на валунной морене.

Исследования проводились на двух участках. Первый — поле площадью 1,5 га. Северная часть участка представляет собой залежь. Эта часть не использовалась на протяжении нескольких десятилетий, но ежегодно скашивается. Остальная часть поля занята однолетними культурами — картофель, горох, овес. Второй участок — средневозрастной лес площадью около 1,2 га, представляющий собой участок лесовозобновления (посадки карельской березы Betula pendula var. carelica возрастом 50 лет) на бывших сельскохозяйственных угодьях.

При сельскохозяйственном освоении в наибольшей степени изменяются основные характеристики верхнего пахотного горизонта почвы. На культивируемом участке пахотный горизонт был представлен однородным слоем почвы толщиной около 20 см. Известно, что этот горизонт сохраняется в течение длительного времени после прекращения сельскохозяйственной деятельности. На участке лесовозобновления мощность старопахотного горизонта варьировала от 16 до 21 см. Для анализа образцы массой 200–300 г отбирались из прикопок с глубины 10–15 см, что соответствует средней части пахотного (старопахотного) горизонта и позволяет избежать влияния «краевого» эффекта - дернины и подпахотных горизонтов.

Отбор образцов производился по случайно-регулярной сетке с шагом 10–15 м. Всего было отобрано 104 образца на поле и 86 — на участке под лесом. В высушенных и просеянных через сито 2 мм почвенных образцах определяли обменную кислотность (рНKCl) потенциометрически. При подготовке образцов для определения содержания углерода из высушенных образцов выбирались все корешки, затем образцы растирали в ступке и просеивали через сито 0,25 мм. Содержание общего органического углерода определяли в навеске массой 50 мг методом высокотемпературного каталитического сжигания на анализаторе ТОС-L CPN «Shimadzu». Исследованные почвы не содержат карбонаты, поэтому содержание органического углерода принято равным содержанию общего углерода.

Вариабельность почв исследовалась с помощью различных статистических и геостатистических методов. Для оценки закономерностей пространственной вариабельности изучаемых почвенных свойств использовался метод вариографии

Полудисперсия рассчитывалась по формуле:

(1)

где Y(h) — экспериментальное значение полудисперсии, z(xi) и z(xi + h) - результаты измерений в точках xi и xi + h, а N(h) — количество пар точек, удаленных друг от друга на расстояние h.

На основании полученных данных строились «вариограммы» — графики зависимости полудисперсии Y(h) от величины смещения h (расстояния между точками, где этот показатель был измерен).

Расчет значений семивариограмм проводился на расстояниях до 100 м с шагом 10 м. Семивариограммы рассчитывались как для исходных данных, так и для регрессионных остатков. Для построения картограмм использовался обычный и регрессионный кригинг. В случае регрессионного кригинга сначала, используя географические координаты точек, с помощью регрессионных методов строилась линейная или квадратическая трендовая поверхность, а затем для остатков проводился геостатистический анализ

Все полученные результаты были статистически обработаны (табл. 1).

Значения pHKCl на поле варьируют в пределах 4,42-5,54 и находятся в группе средне- и слабокислой. На участке под лесом почвы сильнокислые: максимальное значение pHKCl не превышает 4,50. Однако участки близки по характеристикам варьирования. Размах варьирования и коэффициент вариации практически не изменились. Коэффициент вариации на обоих участках около 5%, что характеризуется как низкий. В работе

Участок под лесом характеризуется более высоким содержанием органического углерода. При этом размах значений увеличивается в 1,8 раза, а коэффициент вариации — с 22 до 28%. Уровень варьирования определяется как средний. Достаточно высокий положительный коэффициент асимметрии указывает на наличие большого числа точек с повышенным содержанием органического углерода.

Анализ полученных данных позволил отнести исследованные выборки к нормальному распределению. Сравнительный анализ двух выборок выявил достоверные отличия содержания органического углерода и кислотности в почве двух участков. Так, pHKCl в почве на поле было в среднем достоверно (P0,95) на 0,9 выше, чем в лесу, среднее содержание органического углерода достоверно ниже на 1,7 % (P0,95).

Похожие закономерности (снижение содержания органического углерода и уровня кислотности при антропогенном воздействии) отмечают многие исследователи. Снижение уровня кислотности может быть вызвано активным использованием удобрений, содержащих известь

В случае с содержанием органического углерода таких причин может быть несколько. Так, подобные изменения могут быть связаны с тем, что на культивируемых почвах происходит перемешивание с нижележащими слоями при обработке почв. На исследуемых участках средняя мощность пахотного (старопахотного) горизонта составляла около 20 см, что характерно для вспашки под многолетние травы. Однако позднее, часть участка была распахана под однолетние культуры, в том числе и картофель, что требует более глубокой вспашки. В результате при распашке в пахотный горизонт был вовлечен материал подпахотных горизонтов, в том числе и подзолистого, отличающегося пониженным содержанием углерода.

Кроме того, лесовозобновление на бывших сельскохозяйственных землях предполагает накопление почвенного углерода: формирующаяся лесная подстилка и опад древостоя ускоряют процессы аккумуляции органического вещества 

Регрессионный анализ показал, что для всех свойств выявлены тренды. Полученные трендовые поверхности с очень высокой вероятностью (99%) объясняли изменения свойств в зависимости от положения (координаты) точек пробоотбора. Множественный коэффициент детерминации составил при этом до 12% для содержания углерода и 29,9% для pHKCl на поле.

Трендовая поверхности для pHKCl представлена на рис. 1. Как видно из рисунка, основное направление снижения уровня кислотности — с юго-запада на север, что соответствует направлению изменения степени антропогенного воздействия — от пашни к сенокосу.

Рисунок 1 - Поверхность тренда второго порядка для pHKCl

Примечание: участок на поле

DOI:10.60797/JAE.2025.63.10.2

Для исходных данных был проведен анализ вариограмм. Параметры моделей вариограмм представлены в таблице 2, а сами вариограммы — на рис. 2.

Рисунок 2 - Экспериментальные вариограммы для pHKCl (а) и содержания органического углерода (б) с подобранными теоретическими моделями: 

точки – рассчитанные значения; линии – подобранная модель; 1 – участок на поле; 2 – участок под лесом

DOI:10.60797/JAE.2025.63.10.3

Построенные для рНKCl на участке под полем вариограммы подтвердили наличие тренда в данных в виде неограниченного в пределах участка возрастания значений полудисперсии (рис. 2а). На участке под лесом уровень неоднородности имеет размеры несколько десятков метров, а степень пространственной зависимости средняя. Аналогичные результаты получены в работе

Для содержания органического углерода вариограмма лучше всего описывалась сферической моделью с рангом 13 и 50 м на участках на поле и под лесом соответственно. Пространственная корреляция определяется как сильная ближе к средней или средняя. Таким образом, пространственное распределение органического углерода в пределах поля носит скорее случайный характер. В работе

Так как для всех свойств выявлена хорошо выраженная пространственная структура, на данных участках возможна интерполяция результатов и построение картограмм почвенных свойств с помощью геостатистических методов. Например, рекомендуется воспользоваться обычным кригингом, а в случае наличия тренда — регрессионным кригингом. На рис. 3 представлены картограммы распределения уровня кислотности и содержания органического углерода, полученные с помощью кригинга.

Рисунок 3 - Картограммы pHKCl (слева) и содержания органического углерода, % (справа) поверхностных (0–20 см) горизонтов почв на участках на поле (а) и под лесом (б), полученные с помощью кригинга

DOI:10.60797/JAE.2025.63.10.5

С помощью полученных картограмм можно выделить на поле участки с повышенным и низким значением агрохимически важных свойств, а затем, в зависимости от локализации и размеров этих зон, принимать решение о дифференцированном внесении удобрений. В частности, из рисунка 3а видно, что зона с пониженными значениями pHKCl сосредоточена преимущественно в северной части поля, под сенокосом. Следовательно, при возвращении этих земель в пахотные, эта часть поля в первую очередь нуждается в известковании.

На участке под лесом отмечены повышенные значения содержания органического углерода в северо-западной части (рис. 3б). Этот участок соответствует началу резкого понижения к реке и в верхнем горизонте появляются признаки оторфовывания.

Антропогенные воздействия существенно влияют на пространственное распределение почвенных свойств. Обработка почвы и внесение удобрений приводят к значимому снижению уровня кислотности и содержания органического углерода. В результате исследования пространственного варьирования агрохимических и физико-химических свойств почв, находящихся под воздействием антропогенного пресса, установлено, что распределение кислотности на поле на 30% определяется антропогенным влиянием: среднекислые почвы под сенокосом и слабокислые — на пашне. На участке под лесом преобладает варьирование на коротких расстояниях. Распределение органического углерода в поверхностных горизонтах определяется в первую очередь рельефом участка. При сельскохозяйственном использовании сглаживается неоднородность распределения углерода.