«Челябинский государственный агроинженерный университет»
| Вид материала | Автореферат |
- Центробежно-роторные измельчители фуражного зерна, 476.17kb.
- Методы и средства повышения качества функционирования ветроэнергетических установок, 245.79kb.
- Прогнозирование резерва запасных элементов специализированных предприятий районного, 303.21kb.
- Обоснование технологии и основных параметров пресс-подборщика для безобвязочного формирования, 284.1kb.
- Повышение эффективности кормопроизводства на основе научно-технического прогресса, 338.24kb.
- Разработка прогнозных сценариев развития зернового производства (на примере степной, 525.75kb.
- Федеральное агенство по сельскому хозяйству. Фгоу впо «Московский государственный агроинженерный, 106.7kb.
- Улучшение условий и безопасности труда операторов мобильных колесных машин в сельскохозяйственном, 305.37kb.
- Монография Волгоград, 5207.55kb.
- Актерское агентство "Жар- птица", 25.78kb.
На правах рукописи
Сенькова Лидия Андреевна
состояние почв агроландшафтов
южного урала и пути их рационального
использования
06.01.03 – агропочвоведение и агрофизика
автореферат
диссертации на соискание ученой степени
доктора биологических наук
Тюмень 2009
Работа выполнена в Институте агроэкологии – филиале ФГОУ ВПО
«Челябинский государственный агроинженерный университет»
| Официальные оппоненты: | доктор биологических наук, профессор ^ Еремченко Ольга Зиновьевна |
| | доктор биологических наук, профессор Телицын Виталий Леонидович |
| | доктор сельскохозяйственных наук ^ Дубачинская Нина Никоноровна |
| Ведущая организация: | Новосибирский ГАУ |
Защита диссертации состоится «21» мая 2009 года в 10 час. на заседании диссертационного совета Д 220.064.01 при Тюменской государственной сельскохозяйственной академии.
Адрес: 625003, г. Тюмень, ул. Республики, 7, тел./факс: (3452) 46-87 77.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Тюменской государственной сельскохозяйственной академии.
Автореферат разослан « » апреля 2009 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета И.В. Грехова
^ ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. Усиление вмешательства человека в естественные природные процессы, увеличение агрогенных и техногенных нагрузок на земли сельскохозяйственного назначения в современный период приводят к непредсказуемым последствиям. По мнению Г.В. Добровольского, Б.Ф. Апарина и других (2000), теперь немыслимо стремиться к устойчивому развитию общества без специфических знаний о «геодерме», бесперспективно ставить задачи познания многообразных явлений в биосфере без привлечения науки, занимающейся столь сложным биосферным объектом – почвой.
В настоящее время почвенные ресурсы России для интенсивного развития земледелия весьма ограничены (Столбовой, Шеремет, 1997). В то же время почти вся равнинная лесостепная и степная части Южного Урала представлены плодородными черноземами, которые постоянно используются как по назначению, так и отчуждаются в пользу горнодобывающей промышленности, строительства и других целей. Но в среде повышенного антропогенного воздействия вопросам изменения свойств почв сельскохозяйственного назначения, их управлению в регулируемых условиях и охраны уделяется недостаточное внимание.
Сведения об агропроизводственных, агрохимических и некоторых водно-физических свойствах пахотных черноземов и вовлеченных в пашню солонцов Челябинской области содержат труды Г.А. Баландина (1936), Ю.Д. Кушниренко (1968), А.П. Козаченко (1999), И.В. Синявского (2000). Исследование изменений этих почв под влиянием техногенной нагрузки и урбанизации проведено не достаточно. Мало сведений по некоторым интразональным почвам аллювиальным, горным, реликтовым.
Первый планомерный мониторинг по комплексной оценке пахотных почв и солонцов наиболее техногенной территории Южного Урала был проведен в 80-е и 90-е годы XX века (Кушниренко, 1993, 1999; Отчет о результатах работ…, 1997). Эти исследования показали, что, несмотря на спад промышленного производства, отходы которого изменяли свойства почв, сокращение несбалансированного применения удобрений, состояние земельного фонда характеризуется как критическое (Комплексный доклад…, 2005), и вопросы рационального использования почв сельскохозяйственного назначения с учетом предполагаемого потепления климата не сняты.
Разработка модели адаптивно-ландшафтных систем земледелия только для южной части лесостепной зоны Уральского региона позволила улучшить экологическое состояние агроландшафтов (Модели адаптивно-ландшафтных систем…, 2005). Распространение этих систем земледелия на всей территории Южного Урала требует значительной доработки и расширения сведений о почвах. Использование ландшафтного подхода в исследовании состояния всего разнообразия почв сельскохозяйственных угодий служит основой создания новых форм, технологий управления агроэкологическими параметрами в регулируемых условиях, их оценки и прогноза. Для этого необходимо определить все разнообразие почв, параметры их физических, водных и агрохимических свойств. В условиях усиливающейся кризисной ситуации в природе, растущими задачами интенсивного развития промышленности и сельского хозяйства в наиболее промышленной части России, к которой относится Южный Урал, исследование изменений этих свойств и решение вопросов их оптимизации на основе углубленного изучения поведения влаги в профиле, являются актуальными задачами.
^ Цель работы. Выявить изменения в строении, составе и свойствах почв зональных и интразональных агроландшафтов Южного Урала при антропогенном воздействии, наметить пути их рационального использования.
^ Задачи исследований:
1. Получить современные данные по региональным особенностям почв зональных и интразональных лесостепных и степных типов агроландшафта.
2. Выявить и охарактеризовать изменение свойств черноземов под влиянием сельскохозяйственного использования.
3. Изучить возможность естественного восстановления свойств черноземов измененных агроландшафтов.
4. Исследовать поведение влаги в черноземе и на этой основе создать методическую базу для почво- и водосберегающих технологий орошаемого земледелия.
5. Изучить состояние рекультивируемых и урбанизированных почв сельскохозяйственного назначения.
6. Создать банк почв агроландшафтов Южного Урала.
^ Научная новизна. Определены региональные особенности черноземов равнинных слабоизмененных агроландшафтов; установлено изменение основных свойств почв в результате сельскохозяйственного использования, техногенного воздействия и урбанизации; представлены данные по состоянию рекультивируемых почв сельскохозяйственного назначения; показана важность сохранения естественного строения профиля почв в условиях высокой техногенной нагрузки на Южном Урале; изучены почвы реликтовых боров, показана необходимость их консервации в водоохранных, почвозащитных целях и научных интересах; научно обоснована методика почво- и водосбрегающей технологии орошаемого земледелия; построена материальная модель почв Южного Урала.
^ Защищаемые положения:
1. Почвы агроландшафтов Южного Урала имеют региональные особенности, и по совокупности генетических свойств наиболее предрасположены к деградации черноземы южные степного зонального агроландшафта.
2. Разработка и внедрение почво- и водоохранных технологий земледелия на основе поведения влаги в почвах, рекультивация нарушенных почв, проведение регионального агроэкологического мониторинга почв с современными природоохранными требованиями – пути рационального использования и охраны почв.
^ Теоретическая значимость. Создана научная основа рационального использования и охраны почв зональных и интразональных природно-сельскохозяйственных ландшафтов Казахстанской и Западносибирской провинций Южного Урала. Фундаментально обоснована методика почво- и водосберегающей технологии орошения черноземов.
Новые данные по изменению почв агроландшафтов под влиянием антропогенного фактора вошли в курсы лекций по почвоведению, читаемых в Институте агроэкологии.
^ Практическая значимость. Установлены особенности строения, состава и свойств современных почв зональных и интразональных агроландшафтов, измененных под влиянием антропогенных факторов. На данной основе можно создавать новые формы и технологии управления агроэкологическими параметрами в регулируемых условиях и давать им оценку, более дифференцированно использовать почвы, обосновывать режимы нормированного орошения, прогнозировать изменения почв при дальнейшем антропогенезе и потеплении климата. Полученные материалы могут использоваться учреждениями и организациями, проводящими мониторинг окружающей среды, региональный агроэкологический мониторинг почв и работы по обводнительной мелиорации почв.
Для черноземов выщелоченных разработана методика почво- и водосберегающей технологии и предложен рациональный режим нормированного орошения.
Результаты мониторинга биологического этапа рекультивации почвогрунтов, образованных при техногенном нарушении черноземов, позволяют корректировать и прогнозировать дальнейшее формирование и использование молодых почв – эмбриоземов на новом рекультивируемом агроландшафте отвалов Коркинского угольного разреза.
Основные результаты выполненных исследований по изучению состояния почв ирригационного агроландшафта лесостепной зоны Челябинской области вошли в «Рекомендации по регулированию водно-физических, физико-химических свойств, солевого режима ирригационных почв и улучшению их экологического состояния», подготовленные Институтом агроэкологии (Синявский И.В., Сенькова Л.А. и др., 2006). Материалы переданы ФГУ «Челябмелиоводхоз».
Созданный банк почв можно использовать при проведении регионального агроэкологического мониторинга почв, почвенно-картографических работах.
^ Личный вклад соискателя. Соискателем лично проведены полевые и аналитические исследования почв и дана интерпретация результатов исследований современного состояния практически всех почв зональных и интразональных типов агроландшафта Южного Урала на примере Челябинской области. Результаты этих исследований реализованы в виде банка почв, представляющего собой материальную модель почв и других компонентов агроландшафтов Южного Урала с фондом в 2500 экспонатов, 180 из которых монолиты почв.
^ Апробация работы и публикации. Исследования проводились по плану НИР Института агроэкологии – филиала Челябинского агроинженерного университета по направлению «Динамика показателей плодородия черноземов Южного Зауралья» (Регистрационный номер 0120.0 500293) в период с 2000 по 2007 гг. Как сравнительные данные использованы материалы, ранее полученные автором в 1976-1987 годах в Институте почвоведения и агрохимии СО РАН при изучении аналогичных черноземов Западной Сибири и Северного Казахстана.
Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-практических конференциях Института агроэкологии в (г. Челябинск, 2000-2007), 2-й Российской научно-практической конференции (г. Оренбург, 2005), Всероссийской научно-практической конференции (г. Курск, 2008); XXXVIII Российской школе по проблемам науки и технологий (г. Миасс, 2008).
Общий список опубликованных работ состоит из 52 наименований, в том числе 14 учебно-методических указаний. По теме работы издана 1 монография, в двух других монографиях рассматриваемым вопросам посвящены отдельные разделы; в изданиях, рекомендованных ВАК, опубликовано 7 статей.
^ Структура работы. Работа изложена на 357 страницах и состоит из введения, 8 глав, выводов, рекомендаций производству, библиографического списка из 355 наименований, 18 приложений, включает 44 рисунка и 87 таблиц.
Искреннюю благодарность за многолетнюю заботу и помощь приношу к. с.-х. н. Н.И. Чащиной. Неоценимую помощь оказал автору в свое время учитель и наставник доктор биологических наук, профессор В.П. Панфилов. Автор благодарен сотрудникам Института агроэкологии: профессору Е.И. Шиятому, доктору биологических наук И.В. Синявскому, докторам сельскохозяйственных наук А.А. Грязнову, И.Л. Фрумину за предложения и замечания по улучшению работы, студентам за помощь в сборе полевых материалов.
^ СОДЕРЖАНИИЕ РАБОТЫ
1 Литературный обзор
В главе приведен обзор литературы по истории изучения изменений свойств почв Южного Урала, проблеме деградации черноземных почв и путях их рационального использования, об особенностях свойств и использовании почв интразональных агроландшафтов.
^ 2 Объекты и методика исследований
Объектами исследований являются почвы зональных и интразональных агроландшафтов Казахстанской и Западносибирской провинций Южного Урала на примере Челябинской области. Для определения их региональных особенностей и изменений при использовании были изучены в полевых и лабораторных условиях строение, состав, водно-физические и агрохимические свойства почв зональных и интразональных агроландшафтов, проведен учет корневой системы растений по общепринятым методикам (Качинский, 1958, 1965; Агрофизические методы исследований, 1966; Аринушкина, 1970; Принципы организации …, 1996). Особенности поведения почвенной влаги исследовалось по методу А.А. Роде (1960).
Разрезы закладывались на характерных элементах рельефа, их повторность составляла 4-10 в зависимости от изученности, сложности агроландшафтов, сельскохозяйственной значимости почв.
Изучение развития эрозии почв на склонах с крутизной 5º проводили в степной зоне. На каждом элементе рельефа заложено по 4 разреза.
Вопросы восстановления почв агроландшафтов, нарушенных горными работами, изучались на отвалах Коркинского угольного разреза в 2001-2004 гг. Для определения содержания гумуса образцы отобраны в 25-кратной повторности из горизонта А чернозема выщелоченного и эмбриозема, в 6-ти кратной повторности заложен опыт по определению общей биологической активности этих почв.
Изучение загрязнения пойменных почв проведено в 2002-2003 гг. в пригородной части поймы реки Миасс путем проведения детальной почвенной съемки в масштабе 1:200.
Возможность восстановления плодородия черноземов выщелоченных северной лесостепи после орошения исследована на опытном поле Института агроэкологии, где в 2002-2003 гг. была проведена почвенная съемка в масштабе 1:1000 в соответствии с инструкцией (Общесоюзная инструкция по почвенным обследованиям ..., 1973; Почвенная съемка, 1959).
Исследования по вопросу охраны урбанизированных почв агроландшафтов проводились в селитебной части села Миасское и его окрестностях. Изменения черноземов выщелоченных, связанные с урбанизацией, выявлялись путем их сравнения с целинными аналогами, прилегающими к урбанизированным почвам села в 2004 г. Древний антропогенез черноземов показан на примере Аркаимской долины в 2003 г.
Теоретическое и экспериментальное обоснование режимов орошения почв проведено путем исследования водоудерживающей способности, передвижения почвенной влаги при испарении и нисходящего движения влаги в изолированных с боков призмах по методу А.А. Роде (1960, 1965).
Прикладные аспекты агрогенной эволюции почв оросительных систем и оценка пригодности почв новых участков для орошаемого земледелия изучены в условиях лесостепной зоны сотрудниками Института агроэкологии по заказу ФГУ Управления «Челябмелиоводхоз». Автором диссертации проведены полевые исследования, изучены физические и водные свойства почв, дана оценка их изменений при орошении.
Динамика влажности и запасов влаги в черноземе выщелоченном под яровой пшеницей на богаре изучалась в 2000-2001 годах на опытном поле Института агроэкологии. Делянки вариантов размером 1х2 м закладывались методом рендомизации в 3-х кратной повторности. В опыте изучались сроки посева 28.04; 6.05; 15.05 (контроль); 26.05; 5.06 на агрофонах: контроль (без удобрений), Р60 и N120Р60, , велись фенологические наблюдения. Образцы на влажность отбирались послойно каждые 10 см методом бурения до 100 см. Влажность определяли термостатно-весовым методом в 4-х кратной повторности по фазам развития яровой пшеницы раннеспелого сорта Фора. Азот изучали в смешанных образцах в слое 0-20 см. Динамика нарастания биомассы определялась путем отбора 20 растений с каждой повторности. Уборку урожая проводили сноповым методом в 3-х кратной повторности.
В работе использованы принятые классификации природных и сельскохозяйственных ландшафтов (Агроэкологическая оценка земель …, 2005).
Результаты исследований подвергались математической обработке (Принципы организации и методы…, 1976 и др.).
Для научных и практических целей по управлению динамическими процессами в почвах агроландшафтов в условиях высокой антропогенной нагрузки и меняющегося климата одновременно с исследованиями почв создавалась их материальная модель путем срезов почв, сбора других компонентов агроландшафтов (растений, горных и почвообразующих пород, минералов).
^ 3 Природные условия почвообразования Казахстанской
и Западносибирской провинций Южного Урала
Наши исследования проводились, согласно почвенно-географическому районированию (Агроэкологическая оценка земель …, 2005), в пределах Западносибирской, Казахстанской и горной Южно-Уральской провинций, имеющих место в Челябинской области. Дан обзор их природных условий, определяющих функционирование основных лесостепных и степных типов природно-сельскохозяйственных ландшафтов, трансформированных под влиянием антропогенных факторов. Приведены климатические и погодные условия лет исследований.
^ Рельеф и почвообразующие породы. Равнинная территория с проявлениями микрорельефа характеризуется четким делением на примыкающий к горам Зауральский пенеплен и на неширокую полосу низменности на востоке Челябинской области. Геоморфология местности меняется под воздействием горнодобывающей промышленности, создающей промышленно-нарушенные и рекультивируемые роды агроландшафтов.
Климат. Континентальность и сухость климата Южного Урала определяется положением его в центре Евразийского материка и Уральскими горами, создающими препятствие на пути движения атлантических воздушных масс, что определяет значительную континентальность. Количество осадков составляет в горной части области 600 мм, на равнинах в среднем 350 мм в год, несколько различаясь по зонам.
Растительность. Зональная растительность равнинной части сохранилась лишь на небольших площадях вследствие распаханности почв. Ведущими сельскохозяйственными культурами являются зерновые (яровая пшеница), картофель, кормовые культуры. В горах растительность чередуется по системе вертикальной зональности.
^ Поверхностные и грунтовые воды. Гидрографическая сеть представлена реками Урал, Миасс, Теча, Уй. Широко распространены озера. Грунтовые воды, чаще пресные гидрокарбонатно-кальциевые, залегают прерывисто на глубине 5-20 м. Водные ресурсы изучаемой территории позволяют развивать орошаемое земледелие.
^ Почвы и основные закономерности их распространения. Распределение почв на территории Южного Урала подчиняется закономерностям горизонтальной с черноземами лесостепной и степной зон и вертикальной с горными почвами зональности. На пониженных участках рельефа развиваются почвы интразональные.
В Челябинской области на земли сельскохозяйственного назначения приходится 5202,5 тыс. га (58,8 % общей площади), в пашне находится 2949,8 тыс. га. Черноземные почвы занимают 3377,3 тыс. га (38 %) всей площади. Распространение черноземов оподзоленных ограничено, они занимают 44,8 тыс. га или 0,6 % общей площади Челябинской области и всего 5 тыс. га или 5,95 % в пашне. Основу почвенного покрова лесостепной и степной зон (87,8 % пахотных земель) составляют черноземы выщелоченные и обыкновенные. Черноземы выщелоченные наиболее распространены и занимают 1861,5 тыс. га, в том числе в лесостепи 1799,4 тыс. га. Черноземы южные занимают всего 7,9 % пахотных земель. Площадь эродированных почв составляет 1,3 млн га. (Комплексный доклад…, 2004). Лесистость территории составляет 2-3 % (Хазиев, 2000).
^ Природные и сельскохозяйственные ландшафты. Природные зоны Челябинской области содержат характерные для них равнинные зональные и интразональные антропогенные и реже слабоизмененные лесостепные и степные агроландшафты.По уровню антропогенного изменения растительности, гидротермического режима и мезорельефа они делятся соответственно на фитогенные, ирригационные, литогенные рекультивированные.
По характеру последействий антропогенного вмешательства выделяется деградированный агроландшафт, частично потерявший свои первоначальные функции.
Почвами зональных типов агроландшафта являются черноземы. Солонцы, солончаки, солоди, аллювиальные, болотные почвы и боровые пески – почвы интразонального типа. В пределах лесостепной и степной равнинных природных зон имеют место горные ландшафты.
^ 4 Изменение почв равнинных зональных типов агроландшафта Южного Урала при сельскохозяйственном использовании
4.1 Черноземы лесостепных агроландшафтов. Почвы равнинных зональных лесостепных типов агроландшафта представлены черноземами лесостепной зоны оподзоленными и выщелоченными подтипами черноземов, чаще измененных фитогенных, ирригационных типов, промышленно-нарушенных и рекультивированных родов, распаханных, деградированных, загрязненных и залежных видов агроландшафта.
^ Черноземы оподзоленные. Показано, что черноземы оподзоленные имеют щебнистый профиль и благоприятные агрофизические и водные свойства, слабо изменяющиеся при распашке, если не подвержены водной эрозии.
Мощность отдельных горизонтов черноземов оподзоленных сильно варьирует, что связано с разной глубиной залегания плотных горных пород в предгорных условиях. Мощность гумусовых горизонтов (А+В1) изменяется от 51,7 см до 32,7 см на целине и от 50,5 см до 37,5 см в пашне (табл. 1).
Таблица 1 – Изменения черноземов оподзоленных лесостепной зоны при использовании, n =6 (2002 г.)
| Горизонты почвенного профиля | X ± t • Sх | |||
| Мощность, см | Плотность сложения, г/см3 | |||
| целина | пашня | целина | пашня | |
| А, Ап | 19,9±4,1 | 22,8±2,1 | 1,20±0,04 | 1,15±0,15 |
| В1 | 22,0±5,7 | 21,2±4,4 | 1,28±0,02 | 1,31±0,03 |
| В2 | 30,3+3,0 | 28,3±2,5 | 1,39±0,03 | 1,40±0,03 |
| ВС | 31,8±1,5 | 29,9±2,0 | 1,40±0,02 | 1,40±0,02 |
| С | Плотная горная порода | |||