Способ определения биологическойпродуктивности растительности изапаса гумуса b почве

 

Союз Советских

Социалистических

Рвслублик

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

«<>830241 (61) Дополнительное к авт. свид-ву(22) 3аявлено 2506.79 (21) 2824401/30-15 (51)М. Кл

G 01 и 33/24 с присоединением заявки ¹

Государственный комитет

СССР но делам изобретений и открытий (23) Приоритет

Опубликовано 15.05.81. Бюллетень Но 18

Дата опубликования описания 15.0581 (53) УДК 631. 427 (088.8) Е.В. Коломеец, Ш.Д. Фридман и В.Л. Шмонин (72) Авторы изобретения

Ордена Трудового Красного Знамени гос ффсувенный. университет им. С.М. Кирова и Ордена, Трудового Красного Знамени институт/прикл адж>й геофизики Е, .:- ;,,.- .Я / (71) Заявители (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ БИОЛОГИЧЕСКОЙ

ПРОДУКТИВНОСТИ РАСТИТЕЛЬНОСТИ И ЗАПАСА

ГУМУСА В ПОЧВЕ

25

Изобретение относится к геофизике и может быть использовано в сельском хозяйстве и лесоведении-для определения биомассы растительности и содержания гумуса в почвах.

Известен способ определения гумуса в почвах, при котором отбирается проба почвы органическая часть кото- рой, определяющая количество валового гумуса, находится методами мокрого сжигания (1).

Известен способ определения биологической продуктивности растительности, заключающийся в выборочных рубках леса на представительных

0 участках известной площади и в измерении массовой плотности лесонасаждений в единицах ц/га (10 г/см)(2)

Однако способы определения биологической продуктивности растительности и гумуса в почвах малопроизводительны, труднодоступные районы исследовать ими практически невозможно. Редкая сеть опробования больших плдщадей, которая доступна при иснользовании существующих методов, приводит к большим ошибкам определения искомых параметров.

Цель изобретения — повышение производительности и точности определения искомой величины растительности и гумуса в почвах на больших площадях.

Поставленная цель достигается тем, что 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 Я=излучения ядер углерода и установленной калибровочной зависимости.

Кроме того, линию Г-излучения ядер углерода регистрируют с энергией 4,44 МэВ.

В основе способа лежит факт тесной корреляции между запасом гумуса в почвах и биомассы в растительности с запасом в них углерода. Гумусовые вещества обычно составляют от 80-90% общего количества содержащегося в почве органического вещества. Среди гумусовых веществ различают три главных группы соединений с содержанием углерода, Ъ: гуминовые кислоты 52- 58, фульвокислоты 45, гумин и ульмин около 50. Гумусовые

830241 вещества, несмотря на свое общее небольшое количество в почвах по сравнению с остальными, не превышающее 10-15 вес.Ъ, однозначно характеризуют типы почв и играют исключительно важное значение для почвообразования и плодородия.

В основе метода определения гуму са почв и биологической продуктивности растительности лежит следующее физическое явление. Поток галактических космических лучей, взаимодействуя с атмосферой Земли, образует в ней потоки вторичных частиц, в том числе и нейтронов ° Плотность потока последних у земной п йерхности равна примерно (5-7) ° 10 част./м с.

Неупругое рассеивание нейтронов с ядрами углерода приводит к возбуждению дискретных уровней этих ядер.

Последующий переход возбужденйых ядер в основное состояние происходит с испусканием у-квантов с энергиями, равными разности энергии возфущденного и основного состояний.

Наибольшими сечениями возбуждения обладают уровни 4,4 и 7 5 МэВ. Измерение интенсивности потоков ))" -квантов с такими энергиями вбли-, зи земной поверхности дает информацию о количестве углеродсодержащих веществ (биомассы, гумуса) на поверхности земли, в почве.

Рассмотрим случай определения количества гумуса в почвах с малым растительным покровом (степная зона) .

Распределение гумуса в почве по глубине z можно приближенно описать экспоненциальной зависимостью вида

И

A(z) = А-е, где A - объемная концентрация гумуса на поверхности почвы (при г = О), Ь - коэффициент, характеризующий степень убывания содержания гумуса с глубины. Значение коэффициента Ъ определяется типом почвы и, как показывает анализ MgTBриалов, колеблется от 0,.015 см /г для выщелоченных черноземов до

0,050. см /r для подзолистых почв.

Запас гумуса Г определяется выражением

10 где (О, 015

4 л «Sz

20 P=--y ЛЕ - плотность углерода в почве, коэффициент « учитывает тот факт, что весовое содержание углерода в гумусе составляет примерно 50%.

25 Подставляя (3) в (2) находим, что ,Осхх h х сне

25А )М ь+

30 „й -+»1

О,22 10 A I Х сс . с

+ х

Соотношения (1) и (4) устанавливают зависимость потока .-квантов с энергией 4, 44 МзВ от запаса гумуса в почве Г. Из (1) и (4) следует, что эта зависимость линейна и может быть описана выражением вида

Г -с Э i) ci Г ..(5)

Значение коэффициента ck для различных Ъ при измерении на высоте

h - =25 м представлены ниже, Ь

45 3,73 10 0,015

1,96 10 0,030

1,79 10 О, 045

Проанализируем случай определения биологической продуктивности расти$p тельного покрова.

Рассматривая растительный покров как однородный слой с плотностью р 1 r/смэ и содержанием углерода, равным 50%, получим для распределения источников f-квантов

55 «g кеант

V,() =OSa„gp -4.

> см .с (4) :Г = JA(z)8z

CO

А 8Z= . (1)

Г -bt А о

3+ с энергией высоте Ь определяо

Поток Я -квантов

Ео = 4,44 МзВ на ется выражением (ъ)=0 1фю 2>2о нl аО 2 о где 2о - массовая толщина растительd0 ного покрова, г/см .

Выражение для потока у-квантов имеет вид зь п )т

=2,25 1О ЗАХЕ х 1)Ze х

65 3 -- о о

-"вУв1 -PIP z .«) = —,ja e х

О о где а и Д вЂ” массовые коэффипиенты . поглощения -квантов с энергией 4,4 МэВ в воз« духе и почве (+ Jr

-0,03 см /г), 1,29 -10 3r/см3- плотность воздуха, з р = 1,5 г/см — плотность почвы, r

h — высота наблюдения в атмосфере, см;

Jo{Z) — распределение плотности источника . -квантов с глубиной.

-gz квант

0о(z) (y N (1„At, — -,--1(3) см с см /г - макроскопическое сечение возбуждения уровня 4,4 МэВ ядра

С

Э вЂ” поток нейтроМ нов, 830241

Показатели

Ельники, таежники

Общая биомасса, т/га

410

100-330

400

282

215

Использование изобретения позволит существенно повысить производительность работ. по определению на больших площадях биологической продуктивности леса и запаса гумуса i почвах с использованием авиации. Это принесет особенно большой эффект в труднодоступных районах Сибири и

Дальнего Востока. По сравнению с методом таксации леса здесь можно

226, . о-5 1 Рь,- АР о

Jgay,t х (б х 1=

0109Ь go>zp (7) .-t,s

О

Соотношения (6) и (7) устанавливают связь между биологической продуктивностью Б = Z и потоком "-квантов. Непосредственный расчет в соответствии с (6) и (7) показывает, что эта зависимость может быть аппроксимирована выражением вида

Б = а 3 +-а З (8) Для высоты h = --25 м значения коэффициентов а, = 5,98 10, а

2, 20.108.

Оценим влияние гумуса почвы на определение биологической продуктивности растительного покрова. Поток

Я-квантов гумуса, содержащегося

Запас гумуса в почвах в слое

0-100 см т/га 99

Оценим статическую погрешность предложенного Метода. Ожидаемые потоки у-квантов на высоте 25 м от поверхности Земли составляют примерно (2-5) 10 Зквант/см .с при запасе биомассы 3-4 r/cM или мощности гумусового слоя, равной той же величине. При площади детектора 104 см и времени наблюдения 2 10 с интенсивность составляет 400-1000 имп, что обеспечивает 3-5%-ную погрешность измерений. Очевидно, что точность измерения легко может быть увеличена при наземных измерениях запаса гумуса в почвах, а также путем увеличения времени наблюдения и площади детектора.

Пример. Определение гумуса в почвах и биологической продуктивности лесной растительности произво-. дится в лесостепной зоне. Измерения выполняются с самолета АН-2 с использованием многоканального ф -спектрометра с несколькими детек- торами на кристаллах йаЗ(Те) с общей площадью 0,2 м . Высота полета 25 м.

Район работ — 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-слабо- и среднеподзолистые супесчаные

5 (О

20 в почве под растительным покровом толщиной 2 определяется выражением

- орв" ФР20

4 Е .=0,22.10 А Jgx =у — (9) о + x

Расчет по формуле (9) показывает

1 что .биомасса леса с запасом 5 г/см цает поток Я -квантов на высоте

25 м 3> = 6,92 10 квант/см с. Гумус с Ь = 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 г-.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.

I дубравы Субтропические леса 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 МзВ. 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 прилегающими дерновоподзолистыми почвами дают запас гумуса 1,5 г/см при принятом значении Ь = 0,05 см /r. Время измерения над почвами 5000 с. Стабильность нейтронного потока контролируется по показаниям установленного на земле нейтронного монитора.

830241

Формула изобретения

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

Составитель A. Грачев

Техред А. Бабинец КорректорM. Демчик

Редактор И. Марико

Заказ 3348/55 Тираж 907 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал Tlllff "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4 ожидать экономию в размере 50 р. на 1 га леса. измерительную аппаратуру и определяют биологическую продуктивность растительности и запас гумуса в почве по интенсивности регистрируемых линий "-излучения ядер углерода и установленной калибровочной зависимости

2. Способ по п. 1, о т л и ч а юшийся тем, что линию )"-излучения ядер углерода регистрируют с энергией 4,44 МэВ.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Ковда В.А. Основы учения о почвах. "Наука", 1973.

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