Авторефераты по всем темам  >>  Авторефераты по биологии

На правах рукописи

Артемьева Зинаида Семеновна

ОРГАНИЧЕСКИЕ И ОРГАНО-ГЛИНИСТЫЕ КОМПЛЕКСЫ АГРОГЕННО-ДЕГРАДИРОВАННЫХ ПОЧВ

Специальность 03.00.27 - почвоведение

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора биологических наук

Москва 2008

Работа выполнена на кафедре экологии факультета почвоведения, агрохимии и экологии Российского Государственного Аграрного Университета - МСХА имени К. А. Тимирязева

Научный консультант: доктор биологических наук, профессор И.И. Васенев

Официальные оппоненты: доктор биологических наук, академик РАСХН В.И. Кирюшин доктор биологических наук, профессор Л.О. Карпачевский доктор сельскохозяйственных наук, профессор В.И. Титова

Ведущая организация: Институт физико-химических и биологических проблем почвоведения РАН

Защита состоится л______ 2008 года в час. мин. на заседании диссертационного совета Д 501.001.57 при МГУ им. М.В. Ломоносова, по адресу: 119992, ГСП-2, Москва, Ленинские горы, МГУ им.

М.В.Ломоносова, ф-т почвоведения.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке факультета почвоведения МГУ

Автореферат разослан л______ 2008 года.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор биологических наук, профессор А.С. Никифорова ВВЕДЕНИЕ

Актуальность. Деградационные изменения гумусового состояния и агрегатного состава агрогенных почв остаются одними из основных проблем современного почвоведения, земледелия, агроэкологии (Ковда, 1981; Добровольский, 1985, 1997, 2000; Козловский, 1989, 1991; Каштанов, 2001; Кирюшин, 2000; Агроэкология, 2000, Деградация и охрана почв, 2002 и мн. др.). К настоящему времени накоплен обширный фактический материал по данной проблеме, при этом обращает на себя внимание неоднозначность выводов об изменении гумусового состояния агрогенных почв при их длительном сельскохозяйственном использовании. Недостаточно учитывается тот факт, что гумусовое состояние почв характеризуется не только составом гумусовых веществ, но и особенностями их взаимодействий с минеральными компонентами почвы, в результате которых образуются продукты органо-минерального взаимодействия (ПОМВ), во многом определяющие агрегатный состав почвы. Выявление связей между гумусовым состоянием и агрегатным составом почвы и их изменений при агрогенных воздействиях имеет теоретическое значение для понимания фундаментальной организации почв и прикладное - для оптимизации их использования.

В качестве перспективного направления, способного расширить информационную базу по данной проблеме, представляется исследование органоминеральных фракций, выделяемых с помощью физических методов фракционирования, которые во многом определяют устойчивость почвы к антропогенным воздействиям (Травникова, Шаймухаметов, 2000; Черников и др., 2001; Olk & Gregorich, 2006).

Цель и задачи исследования. Цель работы - выявление особенностей состава органических и органо-глинистых комплексов агрогенно-деградированных почв, и их использование для экологической оценки последствий агропедогенеза.

Для достижения этой цели решались следующие задачи:

1) адаптация методов физического фракционирования почв для исследования основных процессов агрогенного преобразования почв;

2) типизация органо-глинистых комбинаций по сочетанию основных продуктов органо-минерального взаимодействия в почве;

3) исследование органических и органо-глинистых комплексов агрогенно- и агрогенно-эродированных дерново-подзолистых и серых лесных почв типичных агроландшафтов;

4) исследование органических и органо-глинистых комплексов агрогенно-, эрозионно- и ирригационно-деградированных черноземов представительного ряда объектов;

5) оценка экологического состояния зонального ряда старопахотных почв Центра Русской равнины по типу (подтипу) органо-глинистой комбинации и составу органо-минеральных компонентов микрочастиц;

6) уточнение количественных критериев экологической оценки степени эродированности почв по подтипу органо-глинистой комбинации и составу их органо-минеральных соединений.

Научная новизна 1. Органо-минеральные профили зональных типов почв Центра Русской равнины определяются устойчивым сочетанием трех основных групп органо-минеральных фракций (легкие с плотностью <2 г/см3, илистые, остаток), и характеризуются 4 типами и 4 подтипами органо-глинистых комбинаций, выделяемых по 2-м базовым признакам (содержание ила и легких фракций).

Разная локализация органо-минеральных фракций в почве, качественный состав их компонентов, прочность связывания с минеральными составляющими обуславливают их различную роль в процессах агропедогенеза.

2. Тип органно-глинистой комбинации (малоглинистый, среднеглинистый, многоглинистый, гиперглинистый), и подтип, (обедненный, слабообогащенный, обогащенный, сверхобогащенный) характеризуют устойчивость почв к различным деградационным процессам (дегумификации, дезагрегации, переуплотнению). Предложены критерии количественной оценки изменения составляющих органо-минерального профиля при различных агрогенных воздействиях.

3. По взаимодействию с элементарными почвенными частицами (ЭПЧ) в почве можно выделить активное (в составе крупных микрочастиц) и инертное (в составе мелких микрочастиц) органическое вещество. Соотношение Скр/Смел позволяет оценить равновесное состояние углерода в почве и роль различных агрогенных воздействий на экологические функции почвы.

4. Анализ соотношений между углеродом дискретного органического вещества почвы, локализованного, в основном в поровом пространстве и углеродом органо-глинистых комплексов (СЛФ/СИл), а также между углеродом в составе крупных и мелких микрочастиц (Скр/Смел) позволяет количественно оценить экологическое состояние деградированных почв. Предложены шкалы оценки экологического состояния деградированных почв.

Практическая значимость Предложена модификация метода грануло-денсиметрического фракционирования почв, которая заключается в отделении свободного ОВ от агрегированного, входящего в состав крупных микрочастиц, и позволяет адекватно оценить микростроение почв (Травникова, Артемьева, 2001).

Предложенная типизация почв по органо-глинистым комбинациям позволяет диагностировать направленность изменения составляющих органоминерального профиля при различных агрогенных воздействиях.

Разработанные шкалы диагностики свойств почв, определяющие экологическое состояние зонального ряда почв Центра Русской равнины (по соотношениям Скр/Смел и СЛФ/СИл), позволяют диагностировать степень проявления и потенциал развития основных деградационных процессов (дегумификации, дезагрегации, переуплотнения).

Система комплексной оценки степени деградированности эродированных почв на основе характеристик органо-минеральных фракций и соотношений СЛФ/СИл и Скр/Смел позволяет существенно повысить точность диагностики эродированных почв и оптимизировать их сельскохозяйственное использование.

Защищаемые положения 1. Органические и органо-глинистые комплексы, выделяемые грануло-денсиметрическим методом можно объединить в 4 типа и 4 подтипа органо-глинистых комбинаций.

2. Типизация почв по органо-глинистым комбинациям позволяет оценить устойчивость почв к различным деградационным процессам (дегумификации, дезагрегации, переуплотнению).

3. Для оценки степени агрогенно-эрозионного преобразования почв предложены индикационные параметры: содержание ила в поверхностных горизонтах и его минералогический состав, концентрация углерода илистой фракции поверхностных горизонтов, соотношение углерода легкой и илистой фракций (СЛФ/СИл). Разработаны шкалы диагностики агроэкологического состояния агрогенно-эродированных почв по соотношениям СЛФ/СИл и Скр/Смел.

4. В зональном ряду почв соотношение между органическим углеродом, входящим в состав крупных (Скр) и мелких (Смел) микрочастиц (Скр/Смел) закономерно изменяется с 2,0 в почвах лесных ценозов до 1,0 в целинных черноземах, оно характеризует равновесное состояние Сорг в целинных почвах разных типов почвообразования.

5. В старопахотных почвах величина соотношения Скр/Смел закономерно изменяется с 3,0 в агродерново-подзолистых и агросерых почвах до 1,5 в агрочерноземах. Разработаны шкалы диагностики агроэкологического состояния агродерново-подзолистых, агросерых почв и агрочерноземов по соотношению Скр/Смел.

Апробация работы. Основные результаты работы были представлены на международных, всероссийских и региональных научных совещаниях, конференциях и симпозиумах разного уровня (Москва, 1987; 1992; 1997; 2006;

2007; Санкт-Петербург, 1996; 2007; Монпелье, 1998; Суздаль, 2000; Пущино, 2001; Курск, 2003; Новосибирск, 2004; Воронеж, 2006; Прага, 2007).

Структура работы. Диссертация состоит из введения, 7 глав, выводов, списка литературы и приложений. Она изложена на 359 страницах, содержит таблиц и 37 рисунков. Список литературы включает 449 наименования, из которых 124 на иностранных языках.

Благодарности. Автор выражает глубокую благодарность Л.С. Травниковой, явившейся инициатором работ по адаптации метода грануло-денсиметрического фракционирования для исследования агрогенно-эрозионных процессов и оказавшей автору неоценимую поддержку. Автор выражает глубокую признательность И.И. Васеневу за постоянный стимулирующий интерес к работе и помощь на заключительном этапе работы. Автор искренне благодарен Н.П.

Сорокиной за ценные советы и научно-методические разработки, которые послужили стимулом для исследований. Особую благодарность автор выражает М.Ш. Шаймухаметову и коллективу лаборатории физико-химии почв Почвенного института им. В.В. Докучаева, где была выполнена основная часть работы, а также коллективу кафедры экологии РГАУЦМСХА им. К.А.

Тимирязева за благожелательное отношение и поддержку. Автор глубоко признателен коллегам: В.С. Булеевой, Е.Г. Моргуну, И.М. Рыжовой, П.М. Сапожникову, Т.М. Силевой, Т.А. Соколовой, А.С. Фриду, Н.П. Чижиковой, Е.В. Шеину за помощь в экспериментальных исследованиях и поддержку, а также студентам, принимавшим участие в работе на разных стадиях полевых и экспериментальных исследований: А.С. Абрамову, М.Х. Ахметовой, А.С.

Гриневой, О.В. Каплиной, О.Н. Моисеевой, Ю.И. Улитиной.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Глава 1. Основные процессы и критерии оценки агрогенного преобразования почв Проблемы агрогенного преобразования почв и изменения их агроэкологических свойств обсуждали многие исследователи (Рубцова, 1967; Целищева, 1967; Григорьев, 1970; Дайнеко, 1973; Шубина, 1973; Шершукова, 1975; Синицына, 1976; Денисова, 1976; Карпачевский, 1977; Ахтырцев, 1979;

Алифанов, 1980; Ильина, 1986; Золотарева, 1992; Козловский, 1991; Симакова, 1994; Сорокина, 2003 и многие другие).

Большинство исследователей сходятся во мнении, что длительное сельскохозяйственное использование целинных почв наиболее ощутимо влияет на общее содержание гумуса и носит деградационный характер (Орлов и др., 1985,1996; Кирюшин и др., 1972; Ганжара, 1988; Золотарева и др., 1988, 1992 и мн. др.). В первые годы после распашки почвы теряют до 3040% общего содержания гумуса, затем темпы минерализации снижаются и содержание стабилизируется на ином, более низком уровне. Распашка целинных почв снижает запасы и доступность для растений и микроорганизмов биогенных элементов, входящих в состав гумуса (Орлова, Плотникова и др., 1984; Черников и др., 2001 и мн. др.).

Согласно сведениям о динамике ОВ агродерново-подзолистых почв Московской области, в 1986-1990 гг. преобладающими скоростями потери содержания Сорг являются - 0,01-0,05 %/год (Почвы Московской.Е, 2002).

За последнее столетие в различных подтипах черноземов в условиях землепользования было минерализовано от 20 до 40% исходных запасов гумуса.

Анализ УэталонныхФ объектов и массовых аналитических данных выявил 22,5% от массы почвы потери гумуса за последние 30-40 лет (АнтропогенаяЕ., 2000). Статистически достоверные потери гумуса при паровании типичного чернозема, по сравнению с исходной почвой, достигают в год 0,4-2,т/га (Когут, 1982).

Тяжелая колесная сельскохозяйственная техника - основной фактор деградации физических свойств почв. Плотность сложения увеличивается для дерново-подзолистых почв с 0,9-1,1 г/см3 (целина) до 1,4-1,5 г/см3, серых лесных почв - с 0,94-1,14 г/см3 (целина) до 1,3 г/см3, черноземов - с 1,1-1,2 г/смдо 1,4-1,5 г/см3 (Бондарев и др., 2000; Васенев, 2003).

Большие потери органического вещества в результате эрозии способствуют резкому ухудшению агроэкологических функций почв: снижается их плодородие, уменьшаются запасы и доступность для растений и микроорганизмов природных элементов питания. Согласно обобщенным среднемноголетним данным, запасы гумуса в пахотном слое средне- и сильносмытых почв уменьшаются: для подзоны дерново-подзолистых почв на 39-52%, для зоны серых лесных почв на 34-54% и для подзоны типичных черноземов на 7-15% (Соболев, 1948, 1968; Булгаков, 1973; Ляхов, 1975; Ковда, 1981; Явтушенко, 1991; Каштанов, Явтушенко, 1997 и мн. др.).

Наряду с дегумификацией и эрозионными процессами, широко распространена агрогенная деградация поглощающего комплекса старопахотных почв. В лесной зоне доминируют процессы подкисления и выщелачивания оснований (Белоусова, Васенев, 1984, 1989), для степной зоны характерно усиление подвижности и снижение содержания активных карбонатов, развитие процессов вторичного осолонцевания.

В степной зоне деградация почв может развиться при орошении. Многочисленные исследования свидетельствуют, что черноземы - чрезвычайно сложные объекты для орошения. Повышенное содержание гумуса и глин смектитового типа, что свойственно черноземам, определяя их буферность по отношению к воздействию химических реагентов, характеризует, в то же время, высокую чувствительность их к увеличению увлажнения (Ковда, 1972, 1977; Егоров, 1981; Розанов, 1983, 1989; Крупеников, 1985; Щеглов, 1988;

Орошаемые черноземы, 1989; Самойлова, 1990; Николаева, 1995; Приходько, 1996; Позняк, 1997; и мн. др.).

Таким образом, основные агрогенные процессы характеризуются единым деградационным трендом развития, обусловленным, в первую очередь, отсутствием поступления в достаточном количестве свежего органического вещества, которое компенсируется мобилизацией имеющихся в почвах резервов. На фоне несбалансированной системы земледелия это приводит к деградации гумусового состояния агрогенно преобразованных почв, ухудшению их физических и химических свойств, и, как следствие, истощению, почвоутомлению, снижению уровня воспроизводства плодородия почв и их устойчивости к агрогенной нагрузке, ухудшению условий жизнеобитания почвенного микронаселения, а также снижению уровня урожайности сельскохозяйственных культур. Зональные особенности развития этих процессов проявляются в уровне их интенсивности и уровне изменения главного функционального качества почвы - ее плодородия.

Потенциал развития основных процессов агрогенной деградации, и соответственно, экологической устойчивости пахотных почв, а также, их проявление, во многом, определяется характеристиками органических и органоглинистых комплексов почвы (органо-минеральных фракций), роль которых пока недостаточно освещена исследователями.

Глава 2. Органические и органо-глинистые комплексы почвы: методология исследований и их роль в агропедогенезе Интерес к проблеме взаимодействия органических и минеральных составляющих почв обусловлен тем, что они, в значительной степени определяют формирование почвенного профиля, структуру почвы, доступность органического вещества микроорганизмам и через их посредничество - растениям, тем самым, формируют основное жизнеобеспечивающее свойство почв - их плодородие (Кононова, 1984).

В последние два десятилетия, в связи с развитием физических методов фракционирования и высокоразрешающей техники микроскопирования, новый импульс получили исследования, основанные на изучении органо-минеральных фракций, выделенных из почв в мало измененном состоянии. С этой целью было предложено большое количество методов физического фракционирования природных органо-минеральных фракций, позволяющих выделять функционально значимые компоненты органического вещества разных периодов круговорота в мало измененном состоянии (Шаймухаметов и др., 1984; Christensen, 1992, 2001; Gоlchin et al., 1994; Olk & Gregorich, 2006). Их целью является отделение так называемых легких фракций, не связанных с минеральной матрицей, от органо-глинистых комплексов. Наиболее полный обзор имеющихся методов выделения и литературы по органо-минеральным фракциям представлен в обзоре Ванюшиной, Травниковой (2003).

Основоположниками методов физического фракционирования почв являются отечественные ученые: И.В. Тюрин (1937), З.Я. Лейн (1940), Л.Н.

Александрова (1958, 1980), Д.В. Хан (1969).

З.Я. Лейн (1940) впервые применила для исследования органического вещества почвы метод фракционирования по плотности (рис.1). Ею впервые дано описание трех основных фракций ОВ почвы: а) <1,7 г/см3 - представлена смесью корешков, не полностью утративших структуру, аморфного и углистых веществ; б) 1,7-2,0 г/см3 - характеризуется присутствием кремнеземистых образований биологического происхождения; в) 2,0-2,25 г/см3 - фракция физической глины.

1940 1969 19М.Ш.Шаймухаметов, З.Я.Лейн З.Я.Лейн Д.В.Хан Д.В.Хан Л.С.Травникова <1,7 г/см3 <1мкм <1мкм <1,7 г/см3 <1мкм <1мкм 1,7-2,0 г/см3 <1,8 г/см3 <1,8 г/см1,7-2,0 г/см3 <1,8 г/см3 <1,8 г/см2,0-2,25 г/см3 1,8-2,3 г/см3 1,8-2,0 г/см2,0-2,25 г/см3 1,8-2,3 г/см3 1,8-2,0 г/см2,3-2,45 г/смРис.1. Блок-схема истории развития грануло-денсиметрического фракционирования в России.

В 1969 Д.В. Хан для изучения форм органического вещества и его связей с минеральными компонентами впервые использовал сочетание методов выделения частиц по размеру и плотности. Исследование дерновоподзолистой, черноземной, дерново-луговой и черноземно-луговой почв показало, что основная масса органического углерода (92-97%) сосредоточена в частицах <1 мкм и с плотностью <1,8 и 1,8-2,3 г/см3. Позднее, это нашло подтверждение в целом ряде работ (Evans & Russell, 1959; Dalal & Mayer, 1986a; 1986b; Christensen, 1987; Травникова, Шаймухаметов, 2000; Ванюшина, 2001; Shaffer, 2001; Травникова, 2002; Compton & Boone, 2002).

Наиболее значительными факторами, оказавшими влияние на развитие проблемы органо-минеральных взаимодействий явились:

- применение ультразвука для диспергирования почв, позволившее выделять фракции в малоизмененном состоянии (в виду мягкости приема диспергирования) и в тоже время, давало возможность стандартизации методов их выделения (Edwards & Bremner, 1967; Ford & Greenland, 1969; Шаймухаметов, Воронина, 1972);

- широкое использование при их изучении метода твердофазной СЯМР-спектроскопии, а также методов флуоресцентной спектроскопии, газовой хроматографии, капиллярного электрофореза, комбинации различных видов пиролитической спектроскопии и высокоразрешающей техники микроскопирования (Anderson et al., 1974; Baldock et al., 1992; Schulten et al., 1996;

Swift, 1996; Chenu et al., 1998; Gehring et al., 1997; Maman et al., 1998).

Многолетними исследованиями Л.С. Травниковой (1992, 2002) показано, что основными фундаментальными переменными почв являются три качественно и количественно различные группы органического вещества и продуктов органо-минерального взаимодействия. Во-первых, легкие фракции (ЛФ) плотностью <2 г/см3, в состав которых входит не полностью гумифицированный органический опад растительного, микробного, животного происхождения. Во-вторых, органо-глинистые комплексы плотностью >2 г/см3, размером <1 мкм (ОГК) - продукты взаимодействия гумусовых соединений с глинистыми минералами. В-третьих, остаток после выделения первых двух фракций, включающий, главным образом, устойчивый высоко ароматизированный (лигниноподобный) материал, а также угли и углеподобные вещества. Неодинаковое положение различных органо-минеральных фракций в почве, качественный состав их компонентов, прочность связывания с минеральными составляющими обусловливают их различную роль в процессах агропедогенеза и обеспечении экологической устойчивости почв.

Многочисленные исследования ученых различных стран позволили установить, что органическое вещество легких фракций весьма чувствительно к изменению типа вегетации и условий возделывания культур. Отечественные и зарубежные ученые сходятся во мнении, что легкие фракции являются ранними индикаторами изменения уровня органического вещества почвы при распашке целинных почв, изменении агрофона, различных севооборотах (Шаймухаметов с соавт., 1984; Травникова с соавт., 1992; Бидербек с соавт.

(Biederbek et al., 1994); Бремнер с соавт. (Bremer et al., 1995); Кампбелл с соавт. (Campbell et al., 2001); Лианг с соавт. (Liang et al., 2003); Пауль с соавт.

(Paul et al., 2004); Конг с соавт. (Kong et al., 2005); Олк и Грегорич (Olk & Gregorich, 2006,) и др.). Было показано, что при различных агрогенных воздействиях в почвах изменяется уровень содержания углерода, как в легких фракциях, так и в иле, но степень и темпы снижения количества углерода легких фракций существенно выше (Шаймухаметов и др., 1984; Травникова и др., 1992; Janzen et al., 1994; Bremer et al., 1992; Dalal, Mayer, 1986, 1987;

Campbell et al., 2001; Liang et al., 2003; Kong et al., 2005).

Содержание Сорг в легких фракциях или соотношение Сорг в легких (пл.<2 г/см3) и илистых фракциях (пл.>2 г/см3, размером <1 мкм) (СЛФ/СИл) рассматриваются в качестве индикаторов качества органического вещества почв, используемых в сельском хозяйстве (Травникова и др., 1992; Gregorich et al., 1994; Kong et al., 2005; Olk & Gregorich, 2006).

В настоящее время с помощью методов физического фракционирования удается выделить функционально значимые фракции органического вещества и продуктов его взаимодействия с тонкодисперсными минеральными компонентами, состав которых зависит от экологических условий (гидротермических и температурных параметров, типа вегетации, условий возделывания культур и т.д.). Это открывает возможности для использования их в качестве инструмента для уточнения генетических особенностей почв и анализа их эволюционных преобразований при агрогенных воздействиях, экологической оценки последствий агрогенеза. Предлагаемая нами типизация органо-глинистых комбинаций по 2-м базовым признакам (тип выделяется по гранулометрическому составу (содержание ила), подтип - по содержанию ЛФ с плотностью <2 г/см3) предполагает возможность количественной оценки агроэкологического состояния почв при различных агрогенных воздействиях.

Глава 3. Объекты и методы Исследования проводились на зональном ряде представительных объектов старопахотных почв с целинным или условно целинным контролем в зональном ряду агроландшафтов Центра Русской равнины (табл.1): в южнотаежной подзоне дерново-подзолистых почв (Звенигородская биологическая станция МГУ, Учебно-опытно-производственно-экологический центр Чашниково МГУ, стационар Малинки института проблем экологии и эволюции им. А.Н. Северцова, Зеленоградский стационар Почвенного института им.

В.В. Докучаева); в зоне серых лесных почв (опорный пункт Почвенного Института им. В.В. Докучаева ФИваньковоФ и опытно-полевое хозяйство Владимирского НИИСХ); в зоне черноземов (Центрально-Черноземный заповедник, Курская опытная станция ФПетринкаФ, Опытное хозяйство Всероссийского НИИ земледелия и защиты почв от эрозии, заповедник УКаменная степьУ, заповедник УПриволжская лесостепьФ, СХПК Омской области).

Таблица 1. Основные объекты исследований Объект Местона- Почвы Грануломет- Породы Сотруднихождение рический чество состав ЗБС дерново- легкосуг- Л.С.Травникосильно-подзо- линистые ва УОПЭ - листые УЧашниковоФ Московс- Н.П.Сорокина стационар кая обла- слабодерново- среднесу- двучленные Малинки сть среднеподзо- глинистые отложения И.И.Васенев листые И.М.Рыжова Зеленоградс- дерново-сла- легкосугкий стацио- боподзолис- линистые А.С. Фрид нар тые ОП ФИвань- Тульская серые лесные Л.С.ТравникоковоФ область ва ОПХ Влади- Владимир- серые лесные тяжелосуг- покровные Н.П.Сорокина мирского ская обла- серые лесные линистые суглинки НИИСХ сть сильно опод- Е.В.Шеин золенные темно-серые Т.А.Соколова лесные УСтрелецкая Е.М.Самойло степьФ ва ОПХВНИИ- Курская черноземы тяжелосуг- покровные Л.С.ТравникоЗиЗПЭ, обл. типичные линистые суглинки ва Стационар Н.П.Сорокина УПетринкаФ листых почв зона черноземов зона серых лесных почв подзона дерново-подзо Зона черноземы супесчаные элювий И.И.Васенев неполноразви- палеогеновых тые песчаников Т.А.Соколова УПриволжская лесо- Пензенс- черноземы тяжелосуг- глинистые Т.М.Силева степьФ кая обл. выщелоченные линистые отложения И.М.Рыжова черноземы легкоглини- лессовидные типичные стые суглинки Н.П.Чижикова УКаменная Воронежс- черноземы тяжелосуг- лессовидные Е.Г.Моргун степьФ кая обл. типичные линистые суглинки СХПК Дружба Омская черноземы тяжелосуг- покровные СХПК обл. южные линистые суглинки Нововаршавский Методы исследования. В работе использовались традиционные методы полевых и лабораторных исследований: морфологическое описание почв, определение углерода методом мокрого сжигания по Тюрину (Аринушкина,1983), определение азота микрометодом Кьельдаля, в модификации Шаймухаметова (1972), рентгендифрактометрический анализ глинистых минералов (на дифрактометрах фирмы Цейс и ДРОН-3), полуколичественное содержание основных глинистых минералов в тонких фракциях определяли по методике Бискайя (Biskaye, 1964).

Для выделения органо-минеральных фракций использовались физические методы фракционирования почвы (гранулометрическое фракционирование - методом лабораторных центрифуг (Шаймухаметов и др., 1972) и грануло-денсиметрическое фракционирование почвы (Шаймухаметов, Травникова, 1984) в модифицированном варианте (Травникова, Артемьева, 2001).

Параметры сорбции фосфат-иона органо-минеральных фракций исследовались методом одноточечной изотермы сорбции фосфат-иона Куниши и Викерса (Kunishi & Vickers, 1980).

Гранулометрическое фракционирование - выделение высокодисперсных фракций (коллоидные (<0,2 мкм), предколлоидные (1-0,2 мкм) и тонкопылеватые (5-1 мкм) методом лабораторных центрифуг с предварительной обработкой ультразвуком (Шаймухаметов, Воронина, 1972).

Грануло-денсиметрическое фракционирование. Базовый метод (Шаймухаметов, Травникова, 1984) позволяет последовательно из одной пробы выделить две группы фракций, концентрирующих основную массу углерода почв - легкие с плотностью <1,8 и 1,8-2,0 г/см3, содержащие органические вещества, не связанные с минеральной матрицей, и илистые (<1 мкм), в которых органические соединения прочно связанны с глинистыми минералами и оксидами-гидроксидами Fe и Al. Однако его недостатком является то, что наиболее лабильная легкая фракция с пл.<1,8 г/см3 состоит из двух различных по составу и времени кругооборота углерода компонентов: наиболее легкоразлагаемого и более устойчивого органического вещества почв. Кроме того, метод недостаточно учитывает особенности их пространственного распределения в почве. Поэтому возникла необходимость в усовершенствовании разработанного базового метода с целью его использования для более реальной оценки устойчивости различных пулов органического вещества почв. В связи с этим, в соавторстве с Л.С. Травниковой был разработан модифицированный вариант базового метода (Травникова, Артемьева, 2001).

С целью гомогенизации выделяемых легких фракций по составу их органических компонентов были использованы два дополнительных приема:

первый - отделение массы ЛФ, расположенных между крупными частицами почвы от массы внутриагрегатного вещества ЛФ и второй - разделение этих ЛФ с помощью сита по размеру частиц. Для решения первой задачи часть ЛФ с помощью тяжелой жидкости выделяли до, другую часть - после озвучивания почвенной суспензии. Для решения второй задачи - выделенные из почв легкие фракции просеивали через сито с диаметром пор 50 мкм. Выбор размера сита обусловлен тем, что он позволяет отделить органическое вещество пылеватого размера от более крупных частиц.

В исследованиях была применена упрощенная схема модифицированного варианта фракционирования, которая позволяет выделить 5 фракций органического вещества: легкие фракции (ЛФ) с плотностью <2 г/см3 (ЛФСВ, пл.<1,8 г/см3, размером >50 мкм; ЛФАГР, представленную ЛФАГР-2, пл.<1,г/см3, размером <50 мкм и ЛФАГР-1, пл.1,8-2,0 г/см3); органо-минеральную фракцию с плотностью >2,0 г/см3, размером <1 мкм и остаток почвы.

Метод построения одноточечной изотермы сорбции фосфат-иона.

Для характеристики фосфатного состояния почв в работе был использован метод одноточечной изотермы (Kunishi & Vickers, 1980). Полученную изотерму сорбции Р можно рассматривать как весьма информативный экспрессметод получения целого комплекса параметров сорбции фосфат-иона: концентрации равновесного раствора (Сравн); количества сорбированного почвой фосфора (Рсорб); отрицательный отрезок изотермы сорбции характеризует количество лабильного фосфора в равновесном растворе (Рлаб).

Для экологической оценки почв по содержанию органо-минеральных фракций разработана схема их 2-х факторной типизации по: содержанию ила и легких фракций (табл.2).

Таблица 2. Типизация почв по органо-глинистым комбинациям Подтип 1 2 3 ЛФ*,% 0-2 2-4 4-6 >Тип, Ил,% I малоглинистый малоглинистый малоглинистый малоглинистый 0-10 обедненный слабообогащенный обогащенный сверхобогащенный II среднеглинистый среднеглинистый среднеглинистый среднеглинистый 10-20 обедненный слабообогащенный обогащенный сверхобогащенный III многоглинистый многоглинистый многоглинистый многоглинистый 20-30 обедненный слабообогащенный обогащенный сверхобогащенный IV гиперглинистый гиперглинистый гиперглинистый гиперглинистый 30-40 обедненный слабообогащенный обогащенный сверхобогащенный * - легкие фракции с плотностью <2 г/смДля анализа устойчивости почв к агрогенным воздействиям использованы соотношения СЛФ/СИл (углерод в составе дискретного органического вещества и органо-глинистых комплексов почвы) и Скр/Смел (углерод в составе крупных и мелких микрочастиц).

Глава 4. Органические и органо-глинистые комплексы агродерновоподзолистых почв Исследования агрогенных преобразований дерново-подзолистых почв, вышедших из-под леса, при распашке убедительно показали активное развитие процесса дегумификации ОВ почв, что согласуется с многочисленными литературными данными (Орлов и др., 1985,1996; Кирюшин и др., 1972;

Ганжара, 1988, Золотарева и др., 1988 и мн. др.). Запасы Собщ и углерода в составе всех органо-минеральных фракций, исключая илистую, в исследованных агродерново-подзолистых почвах в слое 20 см снижаются, по сравнению с почвами под лесом (табл.3). Средние потери общего углерода составляют 288% от исходной величины запасов углерода. Наибольшие потери отмечены для свободной составляющей ОВ (в среднем - более 80% (8516,5%) от исходной величины запасов углерода). Одновременно происходит уменьшение запасов углерода, аккумулированного в составе фракции остатка (Сост) - 41% от исходной величины запасов углерода. Потери запасов углерода, аккумулированного агрегированной компонентой легких фракций (ЛФАГР) составили 32% от исходной величины. Запасы углерода, прочно связанного с глинистыми минералами (СИл), напротив несколько увеличились и составили 4% от исходной величины запасов углерода.

Таблица 3. Запасы углерода (средние) в слое 0-20 см, аккумулированного различными органо-минеральными фракциями исследованных почв (т/га) Легкие фракции Угодье <2 г/см3 <1 мкм Остаток Собщ Скр/Смел СВ АГР целина 4,73,4 14,22,2 15,03,7 14,32,8 48,210,3 2,пашня 0,60,4 9,71,5 15,54,5 8,51,4 34,37,8 3,Это сопровождается существенными изменениями в распределении долевого участия отдельных фракций в общем уровне накопления углерода в почве (рис.2). Доля свободного ОВ (СВ) в почвах под лесом составляет 10% от Собщ, при распашке лесных почв эта величина резко снижается (до 2% от Собщ). Доля агрегированного ОВ (АГР) снижается незначительно (с 30% до 28% от Собщ). Следует отметить резкое увеличение долевого участия углерода илистых фракций с 30% до 45% от Собщ.

ССВ I ССВ II 10% СОст 2% СОст САГР 25% 30% 28% САГР 30% СИл СИл 30% 45% Рис.2. Изменение долевого участия (% от Собщ) компонентов ОВ в поверхностных горизонтах (в слое 0-20 см) дерново-подзолистых почв под лесом (I) и пашней (II).

На фоне выраженного процесса дегумификации развиваются процессы дезагрегации почвенной массы, в том числе, за счет интенсивной минерализации органической составляющей микрочастиц разной степени устойчивости в ультразвуковом поле. Частичное разрушение устойчивых в целинных условиях микрочастиц сопровождается освобождением части углерода ила мелких микрочастиц и включением его в состав крупных. Величина соотношения Скр/Смел при распашке целинных почв изменяется в сторону увеличения массы углерода, входящего в состав крупных микрочастиц с 2,0 до 3,0.

Вводится термин УметаструктуризацияФ, под которым понимается потеря углерода легких фракций, играющих огромную роль в формировании рыхлой структуры почв. Метаструктуризация количественно характеризуется соотношением между углеродом двух основных фракций органического вещества (СЛФ и СИл).

Характер распределения показателей свидетельствует о том, что в процессе смены лесного ценоза на агроценоз активизируются процессы метаструктуризации почвенной массы пахотных горизонтов. В поверхностных горизонтах автоморфных целинных почв соотношение (СЛФ/СИл), в среднем составляет 1,4. В пахотных почвах оно изменяется в сторону уменьшения долевого участия органических остатков (СЛФ) - до 0,7. Следствием этого является переуплотнение почвенной массы пахотного горизонта агродерново-подзолистой почвы (для слоя 0-10 см с 1,040,1 г/см3 до 1,20,1 г/см3 (15%)).

Согласно предложенной типизации органо-глинистых комбинаций (см.

табл.2) лесные дерново-подзолистые почвы характеризуются I-ым (малоглинистым, 0-10% ила) типом органо-глинистой комбинации, 2-го (слабообогащенного), 3-го (обогащенного) и 4-го (сверхобогащенного) подтипов, с содержанием Собщ: 2,70,6% на массу почвы, а также II-ым (среднеглинистым, 1020% ила) типом, 3-го (обогащенного) подтипа, с содержанием Собщ: 2,90,8% на массу почвы. Для старопахотных дерново-подзолистых почв отмечены I-ый (малоглинистый) тип органо-глинистой комбинации, 1-го (обедненного) подтипа и II-ой (среднеглинистый, 10-20% ила) тип, 1-го (обедненного) и 2-го (слабообогащенного) подтипов, с содержанием Собщ: 1,50,4% на массу почвы.

По соотношению интенсивностей процессов переноса и переотложения почвенной массы, на исследованных склонах четко выделяются следующие эрозионно-аккумулятивные зоны: отсутствия эрозии, эрозионно-активную, денудации-аккумуляции (равновесная) и преимущественной аккумуляции.

Эрозионные процессы активизируют процессы дегумификации почвенной массы пахотных горизонтов эродированных агродерново-подзолистых почв. Потери запасов Собщ в пахотных горизонтах почв эрозионно-активной зоны (для слоя 0-20 см) достигают в среднем 384,2% от исходной величины. Наибольшие потери зафиксированы для легких фракций (до 684,2% от исходной величины). Потери углерода, аккумулированного в илистых фракциях существенно меньше - 17,56,4%. Это соответствует минимальной величине отношения запасов углерода между этими составляющими (СЛФ/СИл): 0,2 против 0,7 в несмытых почвах. Потери запасов углерода, ассоциированного с фракцией остатка, составляют в среднем 39,52,1% от исходной величины.

Важными признаками смытости склоновых почв следует считать концентрацию углерода в илистой фракции пахотных горизонтов и количество смектитовой компоненты в составе ила. В эрозионно-активной зоне выявлено преобладание процессов гумификации ила до уровня, обусловленного составом глинистых минералов и конкретной агроэкологической обстановки. Выход на поверхность почвы нижележащих текстурных горизонтов в результате эрозии, влечет за собой увеличение количества смектитов в составе их глинистых минералов, что сопровождается понижением концентрации углерода илистых фракций (Булгаков и др., 1973; Травникова, 2002; Артемьева, Травникова, 2006). В процессе сельскохозяйственного использования смытых почв концентрация углерода в составе илистой фракции пахотного горизонта возрастает более чем, втрое, и составляет 1,9-2,8% на массу фракции (в среднем 2,20,5%). Однако она не достигает уровня, характерного для соответствующей фракции автоморфных почв (3,80,2% на массу фракции).

Метаструктуризация - одна из основных причин увеличения плотности сложения почв эрозионно-активной зоны (для слоя 0-20 см 1,45-1,58 г/смпротив 1,39 г/см3 в несмытой почве (4-14%)). Масса углерода ЛФ смытых агродерново-подзолистых почв, также не достигает уровня, характерного для почв зонального ряда. Это, во многом, определяет низкую урожайность клевера (1,3-2,1 т/га против 2,3-2,7 т/га клевера на несмытых почвах), которая лимитируется неблагоприятными физическими свойствами.

Эрозионные процессы активизируют дезагрегацию почвенной массы, о чем свидетельствуют существенные потери углерода фракции остатка (достигают 39,52,1% от исходной величины). Это отражается на величине соотношения Скр/Смел, которая изменяется в сторону увеличения доли углерода, аккумулированного в составе крупных микрочастиц (4,0 против 3,0 - в несмытых почвах).

В основе формирования органопрофилей смыто-намытых и намытых агродерново-подзолистые почв зон денудационно-аккумулятивной (равновесной) и преимущественной аккумуляции лежат процессы перераспределения материала гумусоаккумулятивных горизонтов автоморфных почв. В условиях периодически повышенного увлажнения накапливается дополнительное (сверх уровня, обусловленного минералогическим составом) количество углерода в илистой фракции смыто-намытых и намытых почв. Одновременно в этих почвах увеличивается масса углерода в составе ЛФ. Повышенное содержание и доля углерода ЛФ сопровождаются снижением долевого участия углерода илистых фракций поверхностных горизонтов, что, во многом, обусловливает снижение плотности почвенной массы (1,43 г/см3 против 1,49 г/смв смытых и смыто-намытых разностях, соответственно). Этим объясняется более высокая, по сравнению со смытыми почвами, урожайность клевера на намытых агродерново-подзолистых почвах (2,8 т/га против 1,3 т/га клевера на смытых агродерново-подзолистых почвах).

Согласно типизации органо-глинистых комбинаций (см. табл.2) эродированные агродерново-подзолистые почвы характеризуются II-ым (среднеглинистым, 10-20% ила) и III-им (многоглинистым, 20-30% ила) типами 1-го (обедненного) подтипа с содержанием Собщ: 0,80,2% на массу почвы.

На основании результатов катенарных исследований агродерново-подзолистых почв отобраны наиболее информативные признаки, характеризующие преобразования поверхностных горизонтов в процессе водной эрозии (табл.4).

Таблица 4. Среднее содержание компонентов и их соотношение в пахотных горизонтах эродированных агродерново-подзолистых почвах Глинисто-минералогические Показатели состояния ОВ показатели Категория почв Смектиты, % от суммы СИл, % на СИл, % СЛФ, % СЛФ/СИл Ил, % минералов ила М фракции от Собщ от Собщ Несмытые 150,9 15 3,80,2 444,2 291,8 0,Слабо-смытые 18,1 не опр. 2,8 49 20,5 0,Средне-смытые 20,73,4 22 2,20,5 589,4 173,1 0,Смыто-намытые 15,51,1 203,5 3,30,4 46,78,6 24,62,4 0,Намытые 14,30,5 не опр. 4,040,1 346,5 316,4 0,Наиболее значимыми являются 4 параметра: содержание и минералогический состав ила, концентрация углерода этой фракции и соотношение углерода легкой и илистой фракций (табл.4).

Важно отметить ряд общих изменений гумусового состояния и агрегатного состава агрогенно-деградированных почв в процессе интенсивной распашки: пониженное содержание и доля углерода легких фракций в общем накоплении углерода в почве сопровождаются увеличением долевого участия углерода органо-глинистых комплексов (в результате припахивания нижележащих горизонтов), что способствует изменению величин соотношения СЛФ/СИл в сторону уменьшения доли углерода дискретного ОВ почвы, а соотношения Скр/Смел в сторону увеличения углерода в составе крупных микрочастиц. Эрозионные процессы способствуют дальнейшему развитию отмеченных деградационных трендов: величина соотношения СЛФ/СИл в эродированных почвах уменьшается до минимальной наблюдаемой величины, а величина соотношения Скр/Смел значительно возрастает.

Глава 5. Органические и органо-глинистые комплексы агросерых почв Процессы дегумификации серых лесных почв при распашке, практически не выражены (табл.5). Потери запасов общего углерода в слое 0-20 см составили лишь 2% (против 28% в агродерново-подзолистых почвах). Однако, в агросерых почвах, как и в агродерново-подзолистых почвах отмечаются существенные изменения в величине запасов углерода, аккумулированного различными органо-минеральными фракциями. Потери углерода свободной компоненты ОВ составили 70% от исходной величины запасов углерода.

Таблица 5. Запасы углерода (средние) в слое 0-20 см, аккумулированного различными органо-минеральными фракциями исследованных почв (т/га) Легкие фракции Угодье <2 г/см3 <1 мкм Остаток Собщ Скр/Смел СВ АГР целина 3,3 12,9 21,6 17,4 55,2 2,пашня 1,0 13,5 26,8 12,8 54,1 Одновременно отмечается уменьшение запасов углерода, аккумулированного в составе фракции остатка (СОст) - 27% от исходной величины запасов углерода. Запасы углерода, аккумулированного агрегированной компонентой легких фракций (ЛФАГР), напротив несколько увеличились (на 5% от исходной величины запасов углерода). Также, отмечено увеличение величины запасов углерода, прочно связанного с глинистыми минералами (СИл) на 24% от исходной величины запасов углерода. По-видимому, это связано с меньшей интенсивностью процессов дегумификации.

При этом, как и в подзоне дерново-подзолистых почв, в зоне серых лесных почв, при распашке целинной почвы, также отмечаются существенные изменения в распределении долевого участия отдельных фракций в общем уровне накопления углерода в почве (рис.3). Одним из следствий дегумификации, является почти полная минерализация легкоразлагаемой части органических остатков серых лесных почв. Доля свободного ОВ (СВ) в лесных почвах составляет 6% от Собщ, при распашке лесных почв эта величина снижается в 3 раза (до 2% от Собщ). Доля агрегированного ОВ (АГР) снижается незначительно (с 25% до 23% от Собщ). Как и в подзоне дерново-подзолистых почв, следует отметить резкое увеличение долевого участия углерода илистых фракций с 39% до 49% от Собщ.

I II С СВ С СВ 6% 2% С С АГР Ост С Ост С АГР 25% 24% 32% 23% СИл С Ил 39% 49% Рис.3. Изменение долевого участия (% от Собщ) компонентов ОВ в поверхностных горизонтах (в слое 0-20 см) серых лесных почв под лесом (I) и пашней (II).

В зоне серых лесных почв процессы дезагрегации почвенной массы при распашке протекают столь же интенсивно, как и в подзоне дерново-подзолистых почв. Величина соотношения Скр/Смел при распашке лесной почвы изменяется в сторону увеличения массы углерода, включенного в состав крупных микрочастиц с 2,0 до 3,0.

В процессе смены лесного ценоза на агроценоз активизируются процессы метаструктуризации почвенной массы пахотных горизонтов. В поверхностных горизонтах автоморфных лесных почв соотношение (СЛФ/СИл), в среднем составляет 1,5. В пахотных почвах оно изменяется в сторону уменьшения долевого участия органических остатков (СЛФ) - до 0,5. Следствие этого - увеличение плотности пахотного горизонта агросерой почвы (для слоя 0-10 см с 1,12 г/см3 до 1,2 г/см3 (7%)).

Согласно типизации органо-глинистых комбинаций (см. табл.2) серая лесная почва характеризуется II-ым (среднеглинистым, 10-20% ила) типом органо-глинистой комбинации, 4-го (сверхобогащенного) подтипа, с содержанием Собщ: 4% на массу почвы. Для старопахотных серых лесных почв отмечен II-ой (среднеглинистый) тип, 2-го (слабообогащенного) подтипа, с содержанием Собщ: 1,90,1% на массу почвы.

Эрозионные процессы активизируют дегумификацию почвенной массы пахотных горизонтов эродированных агросерых почв. Потери запасов Собщ в пахотных горизонтах почв эрозионно-активной зоны составляют 344,2% от исходной величины. Наибольшие потери зафиксированы для легких фракций (до 6110,6% от исходной величины). Потери запасов углерода, аккумулированного в илистых фракциях составляют 22,57,8% от исходной величины.

Это соответствует минимальной величине отношения между этими составляющими (СЛФ/СИл), которая колеблется в пределах от 0,3 до 0,2 против 0,6 в несмытых почвах. Как и в подзоне дерново-подзолистых почв, метаструктуризация (потеря углерода легких фракций) - одна из основных причин увеличения плотности сложения пахотных горизонтов почв эрозионно-активной зоны (для слоя 0-10 см 1,27-1,31 г/см3 против 1,19 г/см3 в несмытой почве (610%)).

Потери запасов углерода, ассоциированного с фракцией остатка (средние - 305%) колеблются от 18% (в смыто-намытой почве) до 27-34% от исходной величины (в слабо- и среднесмытых почвах, соответственно). Столь существенные потери запасов углерода фракции остатка свидетельствуют об интенсивной дезагрегации почвенной массы. Это отражается на величине соотношения Скр/Смел, которая изменяется в сторону увеличения доли углерода, аккумулированного в составе крупных микрочастиц (4,0 против 3,0 - в несмытых почвах).

Основными процессами в зонах денудации-аккумуляции (равновесной) и преимущественной аккумуляции, как и в подзоне дерново-подзолистых почв, являются эрозионные, процессы наносонакопления и перераспределения материала гумусоаккумулятивных горизонтов автоморфных почв, которые могут сопровождаться сепарацией наносов, что приводит к обогащению их наиболее тонкодисперсными фракциями с высоким содержанием смектитовой компоненты.

Согласно типизации органо-глинистых комбинаций (см. табл.2) эродированные агросерые почвы характеризуются III-им (многоглинистым, 20-30% ила) и IV-ым (гиперглинистым, 30-40% ила) типами 1-го (обедненного) подтипа, с содержанием Собщ: 1,20,1% на массу почвы.

На основании проведенных исследований предложены информативные признаки изменения поверхностных горизонтов эродированных агросерых почв (табл.6).

Таблица 6. Среднее содержание компонентов и их соотношение в пахотных горизонтах исследованных эродированных агросерых почв Глинисто-минералогические Показатели состояния ОВ показатели Категория почв Ил, Смектиты, % от СИл, % на М СИл, % СЛФ,% СЛФ/СИл % суммы минералов ила фракции от Собщ от Собщ Несмытые 171,6 122,8 5,41,1 444 28,51,3 0,Слабо-смытые 262,3 27,52,1 2,50,3 532,4 21,53,5 0,Средне-смытые 30,8 26 2,6 63 13 0,Смыто-намытые 19 13 4,3 50 20 0,Наиболее значимы при оценке степени эродированности почв - 4 параметра: содержание ила, его минералогический состав (содержание разбухающей фазы), концентрация углерода этой фракции и соотношение углерода легкой и илистой фракций (СЛФ/СИл) (табл.6).

Таким образом, в агросерых почвах отмечены аналогичные агродерново-подзолистым почвам деградационные изменения гумусового состояния и агрегатного состава почв в процессе распашки, однако в силу меньшей интенсивности агрогенно-активизированных процессов, количественно это проявляется в меньшей величине потерь запасов углерода легких фракций, менее резком снижении его доли в Собщ, не столь существенном увеличение долевого участия углерода органо-глинистых комплексов. Однако, как и в агродерново-подзолистых почвах, в агросерых почвах величина соотношения СЛФ/СИл уменьшается, а величина соотношения Скр/Смел увеличивается. Эрозионные процессы, как и в агродерново-подзолистых почвах способствуют дальнейшему развитию деградационных процессов: величина соотношения СЛФ/СИл в эродированных почвах уменьшается до минимальных наблюдаемых значений, а величина соотношения Скр/Смел возрастает.

Глава 6. Органические и органо-глинистые комплексы агрочерноземов В зоне черноземов процессы дегумификации ОВ почв развиваются достаточно активно: запасы Собщ и углерода в составе всех органо-минеральных фракций, исключая илистую, в исследованных агрочерноземах в слое 20 см снижаются, по сравнению с целинными почвами (табл.7). Средние потери запасов Собщ составили 19,512% от исходной величины.

Таблица 7. Запасы углерода (средние) в слое 0-20 см, аккумулированного различными органо-минеральными фракциями исследованных почв (т/га) Легкие фракции Угодье <2 г/см3 <1 мкм Остаток Собщ Скр/Смел СВ АГР целина 2,31,5 29,78,4 28,47,2 50,112,8 108,823,6 1,пашня 0,60,2 20,39,0 32,07,7 37,716,6 90,632,9 1,Существенные изменения отмечаются в величине запасов углерода, аккумулированного различными органо-минеральными фракциями. Средние потери углерода свободной составляющей ОВ исследованных почв в слое 020 см составляют почти 70% (68,018,9%) от исходной величины запасов углерода. Одновременно происходит уменьшение запасов углерода, аккумулированного в составе фракции остатка (СОст) - 27% от исходной величины запасов углерода. Потери запасов углерода, аккумулированного агрегированной компонентой легких фракций (ЛФАГР) составили 31% от исходной величины запасов углерода. Как и в зоне серых лесных почв, в зоне черноземов отмечено существенное увеличение величины запасов СИл - на 15% от исходной величины запасов углерода. Видимо, процессы дегумификации в зоне черноземов, как и в зоне серых лесных почв, протекают с меньшей интенсивностью, по сравнению в подзоной дерново-подзолистых почв.

При этом, в агрочерноземах, как и в агродерново-подзолистых и агросерых почвах, отмечаются существенные изменения в распределении долевого участия отдельных фракций в общем уровне накопления углерода в почве (рис.4). Доля свободного ОВ (СВ) в целинных почвах составляет 2% от Собщ, при распашке эта величина снижается до 1%. Доля агрегированного ОВ (АГР) снижается с 27% до 22% от Собщ. Следует отметить резкое увеличение долевого участия углерода илистых фракций с 26% до 35% от Собщ.

I II ССВ С СВ САГР 1% 2% С 22% АГР 27% СОст С Ост 42% 45% СИл С Ил 35% 26% Рис.4. Изменение долевого участия (% от Собщ) компонентов ОВ в поверхностных горизонтах (в слое 0-20 см) целинных (I) и пахотных (II) черноземов.

В зоне черноземов активно развиваются процессы дезагрегации почвенной массы. Величина соотношения Скр/Смел при распашке целинных почв изменяется в сторону увеличения массы углерода, включенного в состав крупных микрочастиц с 1,0 (целина) до 1,5 (пашня).

В процессе смены травянистого ценоза на агроценоз активизируются процессы метаструктуризации (потеря углерода легких фракций) почвенной массы пахотных горизонтов. В автоморфных целинных черноземах соотношение СЛФ/СИл в среднем составляет 1,0. В агрочерноземах оно изменяется в сторону уменьшения долевого участия органических остатков - до 0,5. Следствие этого - увеличение плотности почвенной массы пахотного горизонта агрочернозема (для слоя 0-20 см с 0,94г/см3 до 1,060,1 г/см3 (13%)).

Согласно типизации органо-глинистых комбинаций (см. табл.2) целинные черноземы характеризуются II-ым (среднеглинистым, 10-20% ила) и III-им (многоглинистым, 20-30% ила) типами органо-глинистой комбинации, 4-го (сверхобогащенного) подтипа, а также IV-ым (гиперглинистым, 30-40% ила) типом, 3-го (обогащенного) подтипа, с содержанием Собщ: 61,2% на массу почвы. Для старопахотных черноземов отмечены II-ой (среднеглинистый) тип 2-го (слабообогащенного) подтипа, с содержанием Собщ: 2,4% Собщ, а также IIIий (многоглинистый) и IV-ый (гиперглинистый) типы 2-го (слабообогащенного) и 3-го (обогащенного) подтипов, с содержанием Собщ: 4,30,8% на массу почвы.

Эрозионные процессы активизируют дегумификацию почвенной массы пахотных горизонтов эродированных агрочерноземов. Потери запасов Собщ в почвах эрозионно-активной зоны составляют 12% от исходной величины.

Наибольшие потери зафиксированы для легких фракций (31% от исходной величины). Запасы углерода, аккумулированного в илистых фракциях, напротив, увеличиваются (на 2% от исходной величины). Это соответствует минимальной величине отношения между этими составляющими (СЛФ/СИл), которая колеблется в пределах от 0,3 до 0,2 против 0,5 в несмытых почвах.

В условиях слабой дифференциации почв по гранулометрическому составу, особое значение при диагностике смытости почв приобретает минералогический состав ила пахотных горизонтов смытых почв (количество смектитовой компоненты). Выход на поверхность почвы нижележащих горизонтов влечет за собой увеличение количества смектитов в составе их глинистых минералов, что сопровождается понижением концентрации углерода илистых фракций (составляет 4,3-4,7% (в среднем 4,50,2% от массы фракции), однако, она не достигает уровня, характерного для соответствующей фракции автоморфных почв (5,30,1%), и, в то же время, сопоставима с величиной концентрации, обусловленной минералогическим составом ила (4,30,1% от массы фракции).

Как и в подзоне дерново-подзолистых и зоне серых лесных почв, метаструктуризация (потеря углерода легких фракций), является одной из основных причин увеличения плотности сложения почв эрозионно-активной зоны (для слоя 0-20 см: 1,2 г/см3 против 1,06 г/см3 в несмытой почве (14%)). Масса углерода ЛФ смытых агрочерноземов не достигает уровня, характерного для почв зонального ряда. Это, во многом, определяет более низкую урожайность ячменя на эродированных почвах (3,85 т/га против 4,85 т/га ячменя на несмытой почве), которая лимитируется неблагоприятными физическими свойствами.

Существенные потери углерода фракции остатка (достигают 17% от исходной величины) свидетельствуют об активной дезагрегации почвенной массы. Это отражается на величине соотношения Скр/Смел, которая изменяется в сторону увеличения доли углерода, аккумулированного в составе крупных микрочастиц (с 1,5 в несмытых почвах до 1,9 в смытых разновидностях).

В основе формирования органопрофилей смыто-намытых и намытых почв лежат процессы перераспределения материала гумусоаккумулятивных горизонтов автоморфных почв. В условиях периодически повышенного увлажнения накапливается дополнительное (сверх уровня, обусловленного минералогическим составом) количество углерода в илистой фракции смытонамытых и намытых почв. Одновременно, в этих почвах увеличивается масса углерода в составе ЛФ. Повышенное содержание и доля углерода ЛФ, сопровождаются снижением долевого участия углерода илистых фракций в общем уровне накопления углерода в поверхностных горизонтах, что, во многом, обусловливает снижение плотности почвенной массы (1,12 г/см3 против 1,г/см3 в смытых и смыто-намытых почвах (7%)). Этим объясняется более высокая, по сравнению с эродированными почвами, урожайность ячменя на намытых агрочерноземах (4,99 т/га против 3,85 т/га ячменя на смытых почвах).

Согласно предложенной типизации органо-глинистых комбинаций (табл.2) эродированные агрочерноземы характеризуются III-им (многоглинистым, 20-30% ила) типом 1-го (обедненного) подтипа, с содержанием Собщ:

2,30,2% на массу почвы.

На основании результатов катенарных исследований агрочерноземов отобраны информативные признаки, характеризующие преобразования поверхностных горизонтов почв в процессе водной эрозии (табл.8).

Таблица 8. Среднее содержание компонентов и их соотношение в пахотных горизонтах исследованных эродированных черноземов Смектиты, % от сум- СИл, % на М СИл, СЛФ, СЛФ/СИл Категории почв мы минералов ила фракции % от Собщ % от Собщ Несмытые 321,4 5,30,1 41 19,43 0,Смытые 463,5 4,50,2 49,41,8 16,21 0,2-0,Смыто-намытые 31 5,3 43 18 0,Намытые 332,1 5,50,6 40,92,1 161,7 0,В условиях слабой дифференциации почв по гранулометрическому составу, наиболее значимы три параметра: минералогический состав ила (содержание разбухающей фазы), концентрация углерода этой фракции и соотношение углерода легкой и илистой фракций (СЛФ/СИл) (табл.8).

Дегумификацию следует рассматривать как один из основных деградационных процессов при орошении черноземов. Минерализация дискретного ОВ в орошаемых почвах (потери составили 16% от исходной величины) - одна из причин увеличения плотности сложения орошаемых агрочерноземов (на 13% от исходной величины). Это сопровождается дегумификацией предколлоидных и коллоидных фракций (потери составили 18% и 9% от исходной величины, соответственно), которая способствует изменению качественных характеристик илистых частиц: возрастает степень дисперсности глинистых минералов, которая, возможно, предопределяет частичное их разрушение с образованием аморфных кремнистых соединений.

Выявлена четкая зависимость между концентрацией углерода в тонкодисперсных фракциях и содержанием в них аморфных форм кремния: коэффициенты корреляции для аморфного кремнезема: R=-0,84 при P<0,0001 (по Тамму) (рис.5) и R=-0,71 при P=0,003 (по Хашимото-Джексон) (рис.6).

0,0,0,0,R=-0,84 P<0,000,0,0,0 2 4 6 8 С фракции,% от массы фракции орг Рис.5. Зависимость содержания SiO2 (по Тамму) от С фракции орг 2,2,1,R=-0,71 P=0,01,0,0,0 2 4 6 8 С фракции,% от массы фракции орг Рис.6. Зависимость содержания SiO2 (по Х-Д) от С фракции орг Распределение аморфного кремнезема по тонкодисперсным фракциям в наиболее деградированном агрочерноземе (1-87) (рис.7) характеризуется переходным положением между природно-слитыми почвами и неуплотненными почвами, что находит подтверждение в величинах линейного набухания тонкодисперсных фракций.

Содержание SiO ( по Тамму ),% от массы фракции Содержание SiO ( по Х-Д ),% от массы фракции (агрочернозем орошаемый,р.1-0,0,30 (агрочерноземю богара, р.2-87) 0, (агрочернозем орошаемый, р.6-87) 0, (агрочернозем, богара, р.7-87) 0, (солонец) 0, (суперслитая) 0, (лугово-слитая) 0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0 1 2 3 4 Фракция, мкм Рис.7. Распределение аморфного SiO2 (по Тамму) по тонкодисперсным фракциям пахотных горизнтов исследованных почв.

В агрочерноземах величина линейного набухания более чувствительна к изменению содержания аморфных соединений кремния и менее - к содержанию смектитов в составе глинистых минералов фракций. Наиболее высокая корреляция отмечена между величиной линейного набухания тонких фракций и содержанием несиликатных форм кремния: R=0,91 при P<0,00(по Хашимото-Джексон), R=0,86 при P=0,0004 (по Тамму), затем с содержанием смектитов в составе глинистых минералов фракций (R=0,73 при P=0,01).

Следует отметить, что для агрочерноземов отмечены аналогичные агродерново-подзолистым почвам деградационные изменения гумусового состояния и агрегатного состава почв в процессе распашки, однако, как и агросерых почвах, в силу меньшей интенсивности агрогенно-активизированных процессов, их количественное проявление выражено слабее. При этом, величина соотношения СЛФ/СИл в агрочерноземах, как и в агродерново-подзолистых и агросерых почвах изменяется в сторону уменьшения доли углерода дискретного ОВ почвы, величина соотношения Скр/Смел изменяется в сторону увеличения углерода в составе крупных микрочастиц. Эрозионные процессы способствуют дальнейшему развитию деградационных процессов: величина соотношения СЛФ/СИл в эродированных почвах уменьшается, а величина соотношения Скр/Смел возрастает.

Глава 7. Оценка экологического состояния старопахотных почв Содержание SIO,% от М фракции В основе экологической оценки старопахотных почв лежит анализ степени их агрогенных изменений, уровня отклонения от исходного состояния и потенциала развития основных деградационных процессов (Козловский, 2003). Одним из интегральных показателей экологического состояния почв, их устойчивости к проявлению деградационных процессов является состав органических и органо-глинистых комплексов в агрогенно измененных почвах.

Применение физических методов фракционирования почв позволило представить процесс дегумификации почв как следствие таких агрогеннодеградационных процессов, как дезагрегация, эрозия, переотложения и аккумуляции смытого материала старопахотных почв Русской равнины.

В процессе вовлечения целинных почв в сельскохозяйственное производство происходят качественные и количественные деградационные изменения его гумусового состояния. Суммарный процесс дегумификации включает ряд составляющих и интегрально проявляется в уменьшении запасов углерода в почве. Средние потери Собщ целинных почв Центра Русской равнины при их распашке (в слое 0-20 см) составляют ряд: агродерново-подзолистые (28,38%) агрочерноземы (19,512%) агросерые (2% от исходной величины запасов углерода в почве) (рис.8). Отмечаются существенные изменения в величине запасов углерода, аккумулированного различными органо-минеральными фракциями. В зональном ряду исследованных почв средние потери углерода свободной составляющей ОВ (ССВ) исследованных почв в слое 0-20 см составляют ряд: агродерново-подзолистые - более 80% (8516,5%) агросерые (70%) и агрочерноземы - почти 70% (6818,9% от исходной величины запасов). Одновременно уменьшаются запасы углерода, аккумулированного в составе фракции остатка (СОст) во всех исследованных почвах. Потери запасов СОст составляют ряд: агродерново-подзолистые (41%) агросерые и агрочерноземы (27%) от исходной величины. Потери запасов углерода, аккумулированного агрегированной компонентой легких фракций (ЛФАГР) составляют около 30%: агродерново-подзолистые (32%), агрочерноземы (31%) от исходной величины запасов углерода (рис.8).

11Собщ С Ост СИл САГР ССВ Рис.8. Диаграмма изменения запасов углерода органо-минеральных фракций зональных почв Русской равнины в процессе агрогенеза.

Запасы углерода, прочно связанного с глинистыми минералами (СИл) во многом, зависят от интенсивности процессов дегумификации и дезагрегации.

Часть углерода ила мелких микрочастиц при дезагрегации в процессе распашки включается в состав ила крупных микрочастиц. Во всех исследованных почвах отмечается увеличение средних величин запасов СИл. В агродерново-подзолистых почвах запасы СИл увеличились на 4% от исходной величины запасов углерода. В агросерых почвах и агрочерноземах увеличение величины запасов СИл существенно больше (24% и 15% от исходной величины запасов углерода, соответственно). По-видимому, это связано с меньшей интенсивностью процессов дегумификации в агросерых почвах и агрочерноземах, на фоне выраженных процессов дезагрегации.

На фоне процессов дегумификации ОВ почв различной интенсивности, активно развиваются процессы дезагрегации, вследствие которых изменяется качественный состав компонентов микростроения почв, о чем можно судить це л ин а па шня це д л е ин р н а.па ц п ел о шня д и з на.

се па р ые шня.

ч.

.

е рно з е мы по содержанию в них запасов углерода. Использование соотношения Скр/Смел рассматривается как удобный показатель сбалансированности цикла углерода и устойчивости целинных почв разных типов почвообразования (Травникова, Артемьева, 2004, 2006). Установлено закономерное изменение соотношения Скр/Смел в зональном ряду почв с 2,0 в целинных почвах лесных ценозов до 1,0 в целинных черноземах. В старопахотных почвах увеличивается относительное долевое участие углерода, включенного в состав крупных микрочастиц, величина соотношения Скр/Смел изменяется с 3,0 в агродерновоподзолистых и агросерых почвах до 1,5 в агрочерноземах.

При распашке целинных почв активизируются процессы метаструктуризации почвенной массы пахотных горизонтов, которые выражаются в нарушении соотношения углерода двух основных фракций органического вещества (СЛФ и СИл). В поверхностных горизонтах автоморфных целинных почв величина соотношения СЛФ/СИл в зональном ряду исследованных почв составляет: 1,4 - в почвах лесных ценозов, в черноземах - 1,0. В старопахотных почвах величина отношения СЛФ/СИл изменяется в сторону уменьшения долевого участия углерода органических остатков (Слф): 0,6 - в лесной зоне и 0,5 - в черноземах.

1,1,1,1,1,R=-0,75 P<0,001,1,0,0,0 5 10 15 20 25 30 35 Запасы СЛФ,т/га Рис.9. Зависимость плотности почвы от запасов СЛФ в пахотном горизонте исследованных почв (в слое 0-20 см).

Плотность, г/см Следствием этих процессов является значительное переуплотнение почвенной массы пахотных горизонтов почв: увеличение плотности в среднем для всего массива исследованных почв составляет 113,5% от исходной величины. Коэффициент корреляции между плотностью пахотных горизонтов исследованных почв и величиной запасов СЛФ (для диапазона величины СЛФ 5-40 т/га) составляет R=-0,75 при P<0,0001 (рис.9).

На основе результатов грануло-денсиметрического фракционирования исследованных агрогенно-преобразованных зонального ряда почв Центра Русской равнины предложены шкалы оценки их экологического состояния (табл.9).

Таблица 9. Шкалы оценки экологического состояния зонального ряда старопахотных почв Центра Русской равнины Интенсивность агрогенно-активизированных Подзона Угодье Скр/Смел процессов* минерализация дезагрегация метаструктуризация Дерново- целина 2,0-2,5 - - подзолистых пашня 2,5-3,0 +++ +++ +++ целина 2,0-2,5 - - Серые лесных пашня 2,5-3,0 + ++ + целина 1,0-1,5 - - Черноземов пашня 1,5-2,0 ++ ++ ++ * +++ - высокая; ++ - средняя; + - низкая Наиболее активно агрогенно-активизированные процессы протекают в подзоне дерново-подзолистых почв, в зоне черноземов интенсивность этих процессов меньше, наименее выражены они в зоне серых лесных почв.

Конкретное сочетание агрогенно-активизированных деградационных процессов в почвах рассматриваемого зонального ряда, во многом, определяется их положением на склоне. На склонах всех исследованных агроландшафтов выделяются следующие зоны: отсутствия эрозии, активной эрозии, денудации-аккумуляции (равновесная) и преимущественной аккумуляции.

Эрозионные процессы активизируют дегумификацию почвенной массы пахотных горизонтов эродированных почв, проявляющуюся в минерализации дискретного ОВ почвы, это выражается в уменьшении абсолютных величин содержания углерода в легких фракциях, его долевого участия в общем содержании углерода в почве и изменении величины соотношения СЛФ/СИл в сторону увеличения углерода органо-глинистых комплексов.

Анализ изменения запасов Собщ в исследованных почвах Центра Русской равнины в эрозионно-активной зоне показал, что средние потери в слое 0-20 см составляют зональный ряд: агродерново-подзолистые (384,2%) агросерые (354,2%) агрочерноземы (12% от исходной величины запасов углерода. Наибольшие потери зафиксированы для легких фракций: для агродерново-подзолистых почв (684,2%) для агросерых почв (6110,6%) для агрочерноземов - 31% от исходной величины запасов. Потери запасов углерода, аккумулированного в илистых фракциях составляют: для агродерново-подзолистых почв - 17,56,4%, для агросерых почв - 22,57,8%, для агрочерноземов, напротив, увеличиваются на 2% от исходной величины запасов углерода.

Важными признаками смытости являются концентрация углерода в илистой фракции пахотных горизонтов и количество смектитовой компоненты в составе ила. Выход на поверхность почвы нижележащих горизонтов, илистый материал которых, обогащен минералами смектитового типа, сопровождается пониженной величиной концентрации углерода илистых частиц пахотных горизонтов смытых почв.

5,4,4,3,3,R=-0,89 P<0,002,2,1,10 15 20 25 30 35 Содержание смектитов в составе ила,% от суммы минералов Рис.10. Корреляция СИл и содержания смектитов в составе ила в почвах с элювиально-иллювиальной дифференциацией профиля.

Ил С,% от массы фракции Согласно нашим данным, эти два показателя хорошо коррелируют между собой: для всего массива исследованных почв с элювиально-иллювиальной дифференциацией профиля R=-0,89 при Р<0,0001 (рис.10), для черноземов коэффициент корреляции еще выше R=-0,95 при Р<0,0001 (рис.11).

R=-0,95 P<0,0025 30 35 40 45 50 55 60 65 Содержание смектитов в составе ила,% от суммы минералов Рис.11. Корреляция СИл и содержания смектитов в составе ила черноземов.

В эрозионно-активной зоне выявлено преобладание процессов гумификации ила до уровня, обусловленного составом глинистых минералов и уровнем конкретной агроэкологической обстановки (для лесной зоны СИл <3%, для агрочерноземов - <5% на массу фракции).

Потеря углерода легких фракций, играющих огромную роль в формировании рыхлой структуры почв (метаструктуризация) в эрозионно-активной зоне количественно проявляется в минимальной величине отношения запасов углерода двух основных фракций органического вещества (СЛФ/СИл).

Она составляет зональный ряд: агродерново-подзолистые почвы (0,2 против 0,7 в несмытых почвах) агросерые почвы (0,3 против 0,6 в несмытых почвах) и агрочерноземы (0,2-0,3 против 0,5 в несмытых почвах). Это является одной из основных причин увеличения плотности сложения пахотных горизонтов почв эрозионно-активной зоны: увеличение плотности в среднем для всего массива исследованных почв составляет 113% от исходной величины.

Ил С, % от массы фракции Неблагоприятными физическими свойствами почв эрозионно-активной зоны обусловливается низкая урожайность с/х культур, выращиваемых на этих почвах (снижение урожая на смытых почвах составляет ~20% от таковой на несмытых почвах).

Существенные потери углерода фракции остатка, составляющие ряд:

агродерново-подзолистые (39,52,1%) агросерые (30,54,9%) агрочерноземы (17%), свидетельствуют об активной дезагрегации почвенной массы всех исследованных эродированных почв. Это отражается на величине соотношения Скр/Смел, которая изменяется в сторону увеличения доли углерода, аккумулированного в составе крупных микрочастиц (для почв с элювиальноиллювиальной дифференциацией профиля с 3,0 в несмытых почвах до 4,0 в смытых разновидностях), для агрочерноземов - с 1,5 до 1,9, соответственно).

Зоны денудации-аккумуляции (равновесная) и преимущественной аккумуляции, характеризуются наибольшим разнообразием почв и формирующих их процессов. Пахотные горизонты смыто-намытых почв обогащены тонкодисперсными фракциями с высоким содержанием смектитовой компоненты. Это сопровождается пониженным (по сравнению с почвами автоморфных позиций) уровнем содержания углерода в составе ила (в среднем на 16%) и, соответственно, почвы в целом.

В условиях периодически повышенного увлажнения накапливается дополнительное (сверх уровня, обусловленного минералогическим составом) количество углерода в илистой фракции намытых почв (в среднем на 6%). В намытых почвах одновременно увеличивается масса углерода в составе ЛФ.

Это способствует снижению величины плотности намытых почв (в среднем на 103% от величины плотности в смытых почвах) и повышению урожайности с/х культур, выращиваемых на них (в среднем на 303% от величины урожая на смытых почвах).

Важное следствие агрогенно-активизированных эрозионных процессов - существенное изменение в содержании основных биогенных элементов в почвах. Дополнительными диагностическими признаками склоновых почв служат параметры сорбции фосфат-иона, используемые в качестве количественных критериев для оценки фосфатного режима склоновых почв. В работе подробно рассматривается фосфатное состояние исследованных старопахотных зонального ряда почв склонов Центра Русской равнины на основе параметров сорбции фосфат-иона органо-минеральных фракций.

Сорбционные характеристики эродированных почв, по сравнению с несмытыми почвами, меняются в сторону увеличения сорбционной способности по отношению к фосфат-иону (Рсорб составляет 210-306 против 96-1мг/кг почвы в несмытых почвах), уменьшения количества доступного растениям фосфора (Рлаб составляет 9-10 против 16-19 мг/кг почвы) (рис.12).

3а б 32211смытые смытые агродерново агродерново несмытые подзолистые подзолистые агросерые агросерые несмытые агрочерноземы агрочерноземы Рис.12. Диаграмма изменения содержания Рлаб (мг/кг) (а) и Рсорб (мг/кг) (б) в зональном ряду почв склонов Русской равнины в процессе агрогенно-эрозионных преобразований.

Это обусловлено выходом на поверхность менее гумусированных внутрипочвенных горизонтов, обогащенных илом, что способствует увеличению количества сорбированного твердой фазой почвы фосфат-иона. Соответственно, смытые почвы характеризуются значительно меньшей устойчивостью.

Процессы наносонакопления способствуют улучшению фосфатного режима почв. Это выражается в увеличении количества лабильного фосфора в равновесном растворе (Рлаб составляет 13-20 мг/кг почвы) и уменьшении сорбции фосфат-иона (Рсорб составляет 119-129 мг/кг почвы). Однако, почвы зоны преимущественной аккумуляции (намытые), как правило, приуроченные к нижним частям склонов, часто функционируют в условиях периодически повышенного увлажнения, что определяет уровень накопления ОВ, превышающий экологически обусловленное значение. Данные почвы могут считаться вполне устойчивыми к деградации, тем не менее, они являются проблемными с точки зрения экологической устойчивости ландшафта, в частности, за счет возможной миграции за пределы почвенного профиля и нарушения экологического равновесия в ландшафте.

Урожайность с/х культур (клевера и ячменя) в зональном ряду на старопахотных почвах склонов Центра Русской равнины обратно пропорционально зависит от плотности сложения почвы: R=-0,90 при P=0,0001 (рис.13).

5,5,4,4,3,3,R=-0,90 P=0,002,2,1,1,1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,Плотность, г/смРис.13. Зависимость урожайности клевера и ячменя от плотности пахотного горизонта исследованных почв.

Учитывая, что плотность почв, во многом, определяется содержанием в почве ЛФ с плотностью<2 г/см3 (см. рис.9), можно предполагать наличие зависимости между урожайностью и содержанием в почве ЛФ. Выявлено, что для всего массива исследованных почв отмечена высокая корреляция между урожайностью и содержанием ЛФ: коэффициент корреляции составляет R=0,71 при P=0,004 (рис.14).

Следует отметить, что в данном случае наблюдается система с обратными положительными связями, которые влияют друг на друга: с увеличением количества ЛФ уменьшается плотность сложения почвы, это способствует увеличению урожайности, что, в свою очередь, увеличивает поступление свежего органического вещества в почву.

Урожайность,т/га R=0,71 P=0,00,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,Содержание ЛФ,% Рис.14. Зависимость урожайности клевера и ячменя от содержания ЛФ в исследованных почвах.

Величина урожая хорошо коррелирует с запасами органического углерода в почве: R=0,78 при P=0,001. Анализ корреляционных зависимостей урожайности с величиной запасов углерода в составе отдельных органо-минеральных фракций выявил высокую корреляцию величины урожая с запасами углерода в составе всех органо-минеральных фракций.

5,5,4,4,3,3,R=0,83 P=0,02,2,1,1,2 4 6 8 10 12 14 Запасы СЛФ,т/га Рис.15. Зависимость урожайности клевера и ячменя от величины запасов СЛФ в исследованных почвах (в слое 0-20 см).

Наиболее значимые коэффициенты корреляции отмечены для легких и илистых фракций (R=0,83 при P=0,002 (рис.15) и R=0,82 при P=0,0003, соответственно), наименее значима зависимость величины урожая от запасов углерода в составе фракции остатка (R=0,67 при P=0,01).

Урожайность, т/га Урожайность,т/га Согласно типизации органо-глинистых комбинаций дерново-подзолистые почвы представлены, в основном I-ым (25%) и II-ым (70%) типами органоглинистой комбинации, лишь 5% характеризуется III-им типом (рис.16). Серые лесные почвы характеризуются, в основном II-ым (67%) и III-им (22%) типами органо-глинистой комбинации, лишь 11% представлено IV-ым типом.

Для черноземом, в основном отмечен III-ий (58%) и IV-ый (34%) типы органоглинистой комбинации, лишь 8% представлено II-ым типом (рис.16).

II III IV 8% 5% 11% I 25% III IV 22% III 34% 58% II II 67% 70% Ч СЛ ДПП Рис. 16. Встречаемость типов органо-минеральных комбинаций в зональном ряду исследованных почв.

Достаточно высокий уровень достоверности различий предложенных таксонов органо-глинистых комбинаций подтверждает расположение областей локализации исследованных почв зонального ряда (рис.17).

Ф,% Рис.17. Области локализации исследованных почв зонального ряда по типу (подтипу) органо-глинистых комбинаций.

черноземы неполноразвитые черноземы серые лесные почвы Ил,% 0 10 20 30 дерново-подзолистые почвы Типизация зонального ряда почв Центра Русской равнины по органоглинистым комбинациям позволила выявить, что все исследованные эродированные почвы относятся к единственному - 1-му подтипу органо-глинистой комбинации - обедненному по количеству легких фракций (табл.10).

Таблица 10. Типизация исследованных почв по органо-глинистым комбинациям Подтип, 1 2 3 ЛФ*, % 0-2 2-4 4-6 >Тип, Ил, % дпп дпп дпп дпп I 0-дпп дпп II дпп ч дпп сл 10-дпп III ч ч ч сл 20-ч сл ч ч не обн.

IV 30-* - легкие фракции с плотностью <2 г/см Ц - слабосмытая; - среднесмытая Согласно типизации органо-глинистых комбинаций в смыто-намытых агродерново-подзолистых почвах отмечен 1-ый (обедненный) подтип. В агросерых почвах зоны денудации-аккумуляции отмечается 2-ой (слабообогащенный) подтип органо-глинистой комбинации. В смыто-намытых агрочерноземах встречается 1-ый (обедненный) и 2-ой (слабообогащенный) подтипы органо-глинистой комбинации.

Для всех исследованных намытых почв характерен 2-ой (слабообогащенный) подтип органо-глинистой комбинации.

Предложены признаки изменения пахотных горизонтов эродированных почв. При оценке степени эродированности почв с элювиально-иллювиальной дифференциацией почвенного профиля наиболее значимы четыре параметра: концентрация углерода илистой фракции, соотношение углерода легкой и илистой фракций (СЛФ/СИл), содержание и минералогический состав ила (содержание разбухающей фазы) (табл.4, 6). Для черноземов, в условиях слабой дифференциации почв по гранулометрическому составу, наиболее значимы три параметра: концентрация углерода илистой фракции, соотношение углерода легкой и илистой фракций (СЛФ/СИл) и минералогический состав ила (содержание разбухающей фазы) (табл.8).

На основе результатов грануло-денсиметрического фракционирования исследованных агрогенно-эрозионно преобразованных зонального ряда почв Центра Русской равнины предложены шкалы оценки их агроэкологического состояния (табл.11).

Таблица 11. Шкалы оценки агроэкологического состояния агрогенно-эрозионно преобразованных зонального ряда почв Центра Русской равнины Степень эродиро- СЛФ/СИл Скр/Смел Интенсивность агрогенно-эрозионно ванности активизированных процессов* дегумификация дезагрегация метаструктуризация Агродерново-подзолистые несмытые 0,7-1,0 2,0-3,0 - - смытые 0,1-0,4 3,0-4,0 +++ +++ +++ смыто-намытые 0,4-0,7 2,0-3,0 ++ +++ ++ намытые 0,7-1,0 1,0-2,0 - - Агросерые несмытые 0,4-0,7 2,0-3,0 - - смытые 0,1-0,4 3,0-4,0 +++ +++ +++ смыто-намытые 0,4 -0,7 2,0-3,0 +++ ++ +++ Агрочерноземы несмытые 0,4-0,5 1,0-1,5 - - смытые 0,2-0,3 1,5-2,0 ++ ++ ++ смыто-намытые 0,3-0,4 1,5-2,0 - - намытые 0,4-0,5 1,0-1,5 - - * +++ - высокая; ++ - средняя; + - низкая Наиболее активно агрогенно-эрозионно-активизированные процессы протекают в подзоне дерново-подзолистых и зоне серых лесных почв, в зоне черноземов интенсивность этих процессов меньше.

Одним из ведущих факторов переуплотнения орошаемых почв, наряду с процессами осолонцевания и дезагрегации, являются процессы дегумификации почвенной массы. Ирригационно активизированная дегумификация илистых фракций (потери ~ 18%) способствует изменению качественных характеристик илистых частиц, которая предопределяет частичное их разрушение с образованием аморфных кремнистых соединений. Выявлена четкая зависимость между концентрацией углерода в тонкодисперсных фракциях и содержанием в них аморфных форм кремния: R=-0,84 (по Тамму) и R=-0,(по Хашимото-Джексон).

Проведенные исследования показали доминирующую роль агрогенноактивизированных процессов дегумификации, дезагрегации, переуплотнения и эрозионных в изменении старопахотных зонального ряда почв Центра Русской равнины. Они максимально выражены на склонах и характеризуются единым деградационным трендом развития. Проявление деградационных процессов находит адекватное отражение в характеристиках органо-минеральных фракций, что позволяет использовать их при экологической оценке деградированных почв. Выявленные и уточненные закономерности пространственного варьирования в зональном ряду исследованных склоновых почв позволяют оценить уровень устойчивости агроландшафта к текущей и прогнозируемой агрогенной нагрузке. Другими важными показателями экологического состояния агрогенно-эрозионно-деградированных почв являются: тип (подтип) органо-глинистой комбинации, соотношение содержания углерода основных органо-минеральных фракций (СЛФ/СИл), соотношение содержания углерода в составе крупных и мелких микрочастиц (Скр/Смел), позволяющие диагностировать степень проявления и потенциал развития основных деградационных процессов, а также параметры сорбции фосфат-иона, характеризующие экологическое состояние ППК. Отмечаемые закономерности важны при оценке уровня потенциального плодородия почв разной степени эродированности.

Выводы 1. Почвенная масса включает три основные группы органо-минеральных фракций (легкие с плотностью <2 г/см3, илистые, остаток), сочетание которых определяет формирование органо-минеральных профилей зональных типов почв Центра Русской равнины.

2. Тип органо-глинистой комбинации, выделяемый по содержанию илистой фракции, характеризует зональные особенности исследованных почв, и их экологическую устойчивость при различных деградационных процессах (дегумификации, дезагрегации, переуплотнении):

I тип (малоглинистая комбинация) - отмечен исключительно для дерновоподзолистых почв, наименее устойчив к деградации;

II тип (среднеглинистая комбинация) - отмечен для дерново-подзолистых почв (70% исследованных почв) и серых лесных почв (67%) и, в незначительной степени, для черноземов (8%). Данный тип органо-глинистой комбинации, по сравнению с I-ым типом, характеризует бльшую степень устойчивости к деградации;

III тип (многоглинистая комбинация) - отмечен для черноземов (58%), серых лесных почв (22%) и, в незначительной степени, для дерново-подзолистых почв (5%). Показывает среднюю устойчивость почв к деградации;

IV тип (гиперглинистая комбинация) - отмеченный лишь для черноземов (34%) и для серых лесных почв (11%), характеризует наибольшую устойчивость к агрогенным нагрузкам.

3. Оценкой экологического состояния зонального ряда почв Центра Русской равнины может служить соотношение между содержанием активного (в составе крупных микрочастиц) и инертного (в составе мелких микрочастиц) органического вещества почвы (Скр/Смел). Установлены закономерные изменения Скр/Смел в зональном ряду почв с 2,0 в почвах лесных ценозов до 1,0 в целинных черноземах. В старопахотных почвах величина соотношения Скр/Смел закономерно изменяется с 3,0 в агродерново-подзолистых и агросерых почвах до 1,5 в агрочерноземах.

4. Экологическое состояние агрогенно-эрозионно-деградированных почв количественно оценивается подтипами органо-глинистой комбинации, выделяемых по содержанию легких фракций с плотностью <2 г/см3: эродированные почвы характеризуются исключительно 1-ым подтипом органо-глинистой комбинации (обедненным по ЛФ), смыто-намытые - 1-ым (обедненным) и 2-ым (слабообогащенным) подтипами и намытые - 2-ым (слабообогащенным) подтипом.

5. Дегумификация пахотных горизонтов эродированных почв, проявляется в уменьшении абсолютных величин содержания углерода в легких фракциях, его долевого участия в общем содержании углерода в почве, что обусловливает изменение величины отношения СЛФ/СИл в сторону относительного увеличения углерода органо-глинистых комплексов. В эрозионно-активной зоне выявлено преобладание процессов гумификации ила до уровня, обусловленного составом глинистых минералов и уровнем конкретной агроэкологической обстановки (для лесной зоны СИл <3%, для черноземов - <5% от массы фракции).

6. Органо-минеральные фракции верхних гумусовых горизонтов несмытых почв характеризуются высокими уровнем подвижности фосфора и способности поддерживать постоянный уровень доступных для растений фосфатов (Рлаб составляет 16-19 мг/кг почвы), низкой сорбционной способностью по отношению к фосфат-иону (Рсорб составляет 96-131 мг/кг почвы). Агроэкологическими особенностями эродированных почв являются повышенная сорбция фосфат-иона (Рсорб увеличивается в 2-2,5 раза) и низкий уровень доступного растениям фосфора (Рлаб уменьшается в 2 раза).

Публикации 1. Артемьева З.С. Состав белоглазки черноземов теплой фации// Вестник МГУ. 1986.

№3, С.55-2. Самойлова Е.М., Артемьева З.С. О неоднородности почвенных горизонтов Предкавказских черноземов// Вестник МГУ.1987. №1, С.75-3. Артемьева З.С., Самойлова Е.М., Алексеева Т.В. Высокодисперсные фракции слитых горизонтов природнослитых и уплотненных при орошении почв// Вестник МГУ. 1991.

№3, С. 39-4. Артемьева З.С. Сравнительная характеристика природнослитых и уплотненных при орошении почв// Автореф. дисс. на соиск. ст. канд. биол. наук. М. 1991, 24 с.

5. Артемьева З.С. Сравнительная характеристика слитообразования в слитоземах и орошаемых черноземах и солонцах// Тезисы II съезда РОП. Санкт-Петербург. 1996. кн.2, C.

26. Artemieva Z.S., Sileva T.M. The diagnostic of solonetzicity of the irrigated chernozems by the character of these swelling curves// Problems of antropogenic soil formation. International conference. Moscow. 1997. v.4, P.25-7. Артемьева З.С., Силева Т.М. Новый метод определения степени осолонцеватости черноземов при орошении// Земледелие. 1997. №5, С.8. Artemieva Z.S. The comparison of fine fractions in vertic horizons of native vertisols and in those of soils subjected to compaction in the course of irrigation// 16th World Congress of Soil Science. Montpellier. France. 1998. v.1, Simposium 5, Summaries, P.9. Artemieva Z.S. The comparison of fine fractions in vertic horizons of native vertisols and in those of soils subjected to compaction in the course of irrigation// 16th World Congress of Soil Science. Montpellier. France. 1998. CD rum, 773-t. Pdf 10. Грачев В.А., Артемьева З.С. Возможность использования кинетики набухания для оценки вторичного осолонцевания почв// Тезисы III съезда ДОП Суздаль. 2000. кн.2, С.214-211. Травникова Л.С., Артемьева З.С. Физическое фракционирование органического вещества с целью изучения его устойчивости к биодеградации// Экология и почвы. Избр. лекции X Всерос. Школы. Пущино. 2001, С.337-312. Артемьева З.С., Фрид А.С., Тюрникова Е.Г. Миграционная доступность калия растениям на легкой дерново-подзолистой почве// Агрохимия. 2003. №2, С.22-13. Артемьева З.С., Фрид А.С., Тюрникова Е.Г. Миграционная доступность калия растениям на легких дерново-подзолистых почвах// Агрохимия. 2003. №6, С.24-14. Артемьева З.С., Травникова Л.С. Изменение параметров состояния органического вещества и глинисто-минералогических показателей серых почв в процессе агропедогенеза// Модели и технологии оптимизации земледелия. Сб. докл. Межд. научно-практич.

конф. Курск. 2003, С.484-415. Травникова Л.С., Силева Т.М., Артемьева З.С. Природа микроагрегатов черноземов Приволжской лесостепи// Материалы IV съезда ДОП, Новосибирск. 2004. Кн.2, С.316. Артемьева З.С., Травникова Л.С., Силева Т.М., Моргун Е.Г., Каплина О.В. Особенности микроструктуры гумусовых горизонтов чернозема обыкновенного разных ценозов// Вестник МГУ. 2005. №3, С.31-17. Артемьева З.С., Травникова Л.С. Изменение характеристик органического вещества и глинистых минералов серых почв в процессе агропедогенеза// Почвоведение. 2006. №1, С.

96-118. Травникова Л.С., Силева Т.М., Рыжова И.М., Артемьева З.С. Микроагрегирование и устойчивость органического вещества черноземов Приволжской лесостепи// Почвоведение. 2006. №6, С.712-719. Травникова Л.С., Силёва Т.М., Рыжова И.М., Артемьева З.С., Чижикова Н.П. Состав компонентов микроагрегатов черноземов Приволжской лесостепи// Агрохимия. 2006. №8, С.10-20. Артемьева З.С., Силева Т.М. Закономерности изменения компонентного состава микроструктуры черноземов Приволжской степи при их распашке// Черноземы России: экологическое состояние и современные почвенные процессы. Материалы Всероссийск. науч.-практич. конф. Воронеж. 2006, С. 194-221. Артемьева З.С., Васенев И.И., Силёва Т.М. Агроэкологическая оценка органно-минеральных фракций черноземов Приволжской лесостепи// Доклады ТСХА. 2007. вып. 279.

Ч. 2, С.321-322. Травникова Л.С., Артемьева З.С. Использование минералогических и физико-химических показателей для диагностики эродированных почв// Материалы Международной научной конференции УПространственно-временная организация почвенного покрова: теоретические и прикладные аспектыФ. Санкт-Петербург. 2007, С.140-123. Z.Artemyeva The alteration of OM parameters of grey wood soils under the processes of erosion// IV International Workshop on practical Solutions for Managing C and N Contents of Soils. Prague. 2007, Р.Принятые сокращения:

Ф - легкие фракции с плотностью <2,0 г/см3;

ФСВ - легкие фракции с плотностью <1,8 г/см3, размером >50 мкм;

ФАГР - легкие фракции с плотностью <1,8 г/см3, размером <50 мкм (ЛФАГР-2), также включает легкие фракции с плотностью 1,8-2,0 г/см3(ЛФАГР-1);

ОГК (органо-глинистые комплексы) - продукты взаимодействия гумусовых соединений с глинистыми минералами;

ПОМВ - продукты органо-минерального взаимодействия;

ПБСР - буферная способность почвы по отношению к фосфат-ионам;

СЛФ - углерод, аккумулированный в составе легких фракций с плотностью <2,0 г/см3;

СИл - углерод, аккумулированный в составе органо-глинистых комплексов (илистая фракция);

СОст - углерод, аккумулированный в составе фракции остатка;

Скр - углерод, аккумулированный в составе крупных микрочастиц размером 50-250 мкм;

Смел - углерод, аккумулированный в составе мелких микрочастиц размером 1-50 мкм;

Сравн Цконцентрация равновесного раствора;

Рсорб - количество сорбированного почвой фосфора;

Рлаб - количество лабильного фосфора в равновесном растворе;

Авторефераты по всем темам  >>  Авторефераты по биологии