Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по биологии
На правах рукописи
Овчинникова
Мария Федоровна
Особенности трансформации гумусовых веществ
в разных условиях землепользования
(на примере дерново-подзолистой почвы)
Специальность 03.00.27. - почвоведение
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
доктора биологических наук
Москва - 2007
Работа выполнена в лаборатории почвенно-экологического мониторинга учебно-опытного почвенно-экологического центра Московского государственного университета им М.В.Ломоносова
Официальные оппоненты - доктор биологических наук, профессор
Л.О.Карпачевский
доктор биологических наук, профессор
Н.Ф.Ганжара
доктор биологических наук, профессор,
заслуженный деятель науки РФ
В.И.Никитишен
Ведущая организация: Почвенный институт им. В.В.Докучаева, Москва
Защита состоится У02У ноября 2007г. в 15час.30мин в аудитории М-2 факультета почвоведения МГУ на заседании диссертационного совета Д 501.001.57.
Адрес: 119992, ГСП-2, Москва, Ленинские горы, МГУ им. М.В.Ломоносова, факультет почвоведения.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке факультета почвоведения МГУ.
Автореферат разослан У____Ф______________2007г.
Приглашаем Вас принять участие в обсуждении диссертации на заседании диссертационного совета Д.501.001.57. Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по адресу: 119992, ГСП-2, Москва, Ленинские горы, МГУ, факультет почвоведения. Ученый совет.
Ученый секретарь
диссертационного совета,
доктор биологических наук А.С.Никифорова
Общая характеристика работы
Актуальность. В условиях нерационального использования агроландшафтов, приводящего к деградации почв и изменению структуры почвенного покрова, возрастает актуальность изучения признаков антропогенной деградации гумуса. Гумусовая система способна быстро и адекватно трансформироваться при изменении условий гумификации. Понятие УтрансформацияФ рассматривается в двух аспектах: 1) трансформация деградационная как отражение негативных изменений условий гумификации и характеристик гумуса и 2) трансформация реградационная, т.е. восстановление утраченных качеств гумуса с помощью агроприемов. Обобщение имеющейся в отечественной и зарубежной литературе информации по результатам исследования деградационной трансформации с применением широкого набора химических и физико-химических методов позволяет охарактеризовать признаки антропогенной деградации гумуса при действии разных факторов. Однако, сравнительная оценка глубины деградационных изменений в зависимости от антропогенной нагрузки, ранняя индикация признаков деградации и прогноз динамики их развития осложняются отсутствием в большинстве работ информации об исходном состоянии гумуса и условиях проведения исследований. Один из характерных признаков деградации - дегумификация во многих случаях оценивается лишь как потеря гумуса без характеристики структуры потерь и механизма деградации. Применение современных инструментальных высокочувствительных методов позволяет изучать особенности агрогенной трансформации гумусовых кислот на уровне молекулярных структур с обоснованием механизма деградации. К сожалению, подобного рода исследования немногочисленны, их результаты в основном фрагментарны, интерпретация результатов не всегда является четкой и однозначной (Панкратова и др., 2005), а фиксируемые изменения параметров не всегда адекватны смене экологической ситуации (Solomon et.al., 2002).
В целом, современное состояние проблемы характеризуется отсутствием единого методического подхода к оценке признаков деградации гумуса, разобщенностью результатов разных авторов, отсутствием системы диагностических показателей гумусного состояния деградированных почв. Вследствие сложного гетерогенного состава гумусовых веществ и их неоднозначной реакции на внешние воздействия целесообразно проведение исследований на разных уровнях структурной организации гумуса с применением комплекса методов.
Настоящая работа является итогом многолетнего изучения признаков деградации гумуса при действии факторов разной природы. На примере чувствительных к неблагоприятным воздействиям дерново-подзолистых почв изучены химическая, физико-химическая, биохимическая деградация, фиксируемая при агрогенных и природно-агрогенных воздействиях, и механическая деградация, проявляющаяся при водно-эрозионных и техногенных воздействиях.
Цель работы. Изучение закономерностей трансформации гумусовых веществ при нарушении условий гумификации для количественной оценки деградационных изменений гумуса на разных уровнях его структурной организации и для обоснованного выбора способов оптимизации гумусного состояния деградированных почв.
Задачи работы:
1. Оценить степень устойчивости (предрасположенности) к деградации гумуса, сформированного в разных условиях, на основе сравнительной характеристики состава, структурных особенностей и свойств гумусовых кислот. Обосновать методологические принципы изучения антропогенной деградации гумуса.
2. Изучить признаки и выяснить механизм химической, физико-химической, биохимической деградации гумуса под действием факторов агрогенного и природно-агрогенного происхождения.
3. Изучить специфику механической деградации гумуса при водно-эрозионных и техногенных воздействиях.
4. Изучить особенности реградации утраченных качеств гумуса агрогенно- и техногеннонарушенных почв.
5.Выявить общие и специфические признаки деградации гумуса при действии факторов разной природы; разработать систему диагностических показателей и оценить степень их информативности.
Научная новизна.
1. Обоснована возможность применения метода пространственных аналогий для выявления внутренних механизмов потенциальной устойчивости гумуса к деградации и для количественной оценки признаков устойчивости на основе сравнительной характеристики гумуса, сформированного в разных условиях. На примере дерново-подзолистых почв применен системный подход к изучению признаков деградации на уровнях общей совокупности органических веществ почвы и элементарных почвенных частиц, групп, фракций и молекулярных структур гумусовых кислот. Изучены факторы агрогенного, природно-агрогенного и техногенного происхождения, различающиеся по формам проявления и специфике нарушения условий гумификации; выявлены общие и специфические признаки деградации, дана количественная оценка степени их выраженности в зависимости от уровня и вида деградации.
2. Выявлен главный признак деградации гумуса при действии всех факторов - дегумификация, которая впервые рассматривается в широком значении понятия как ослабление процесса гумификации на разных стадиях, приводящее к снижению содержания и изменению состава гуминовых кислот, упрощению их структуры, усилению признака фульватного характера превращения органических веществ, в конечном итоге, ухудшению качества и потере определенного количества гумуса.
3. Доказана ведущая роль в проявлении признаков деградации и реградации гумуса первой и второй фракций гуминовых кислот, ответственных за обеспечение ценных качеств гумуса и рефлекторных к смене экологических условий. Выявлена адекватная реакция высокомолекулярных структур ГК на изменение условий гумификации. Впервые обоснована целесообразность применения показателей количественного соотношения ГК1 и ГК2 с соответствующими фракциями ФК для оценки интенсивности процесса гумификации на стадии новообразования ГК (Сгк1/Сфк1) и на стадии полимеризации и усложнения гумусовых структур, или формирования гуматов (Сгк2/Сфк2). Фульвокислоты (за исключением фракции 1а) рассматриваются при этом как предшественники ГК или как продукты их деструкции.
4. Выявлены различия гранулометрических фракций по роли в процессах гумификации, в детерминировании характеристик гумуса и гумусовых кислот и в проявлении признаков их деградации. Впервые установлено, что признаки химической, физико-химической и биохимической деградации, обусловленной деструкцией молекулярных структур ГК, отчетливо проявляются в наиболее подверженных трансформации тонкодисперсных частицах; выявлены различия в механизме деструкции и направленности изменений подвижности гумусовой системы в зависимости от конкретных форм агрогенных воздействий и специфики нарушения условий гумификации. Экспериментально обосновано, что водно-эрозионная и техногенная деградация гумуса связана с перераспределением наиболее вариабельных в количественном отношении фракций ЭПЧ (без их трансформации).
5.Разработан комплекс показателей для диагностики признаков химической, физико-химической, биохимической и механической деградации гумуса. Обоснована перспективность его применения для ранней диагностики признаков, прогнозирования тенденции их развития, характеристики степени выраженности на разных уровнях деградации, для оценки реградационных изменений свойств гумуса под влиянием агромероприятий. Проведена оценка информативности показателей в зависимости от уровня и вида деградации. Выявлены показатели, характеризующие ранние симптомы деградации, и показатели, предельные значения которых свидетельствуют о необратимости деградационных изменений.
Защищаемые положения.
1.Устойчивость (или предрасположенность) гумуса к деградации как отражение природных условий гумусообразования, определяющих параметры состояния гумусовой системы и характер ответных реакций отдельных компонентов на неблагоприятные воздействия. Главные характеристики гумуса, определяющие степень его устойчивости: уровень накопления гуминовых кислот, относительная доля гуматов в их составе, степень бензоидности ГК, содержание гуминового азота, в том числе азота устойчивых гетероциклов.
2. Дегумификация, или ослабление процесса гумификации на разных стадиях формирования гуминовых кислот и усиление фульватного характера превращения органических веществ - общий признак антропогенной деградации гумуса независимо от природы факторов и конкретных форм их проявления. Специфичность признаков в зависимости от вида деградации и негативных изменений факторов гумификации.
3. Целесообразность применения показателей Сгк1/Сфк1 и Сгк2/Сфк2 для оценки интенсивности процесса гумификации на разных стадиях формирования гуминовых кислот и для диагностики признаков деградации гумуса.
4. Неоднозначная роль гранулометрических фракций в процессах гумификации, детерминировании характеристик гумуса и гумусовых кислот, проявлении признаков деградации. Показатели количественного соотношения гумуса и гуминовых кислот, аккумулированных в пылеватых и илистых частицах, как отражение степени выраженности признаков гуматности (фульватности) гумуса и степени зрелости ГК.
5. Проявление признаков химической, физико-химической и биохимической деградации гумуса в условиях дефицита гумусообразователей, декальцинации, подкисления, ингибирования биологических процессов при агрогенных воздействиях - результат деструкции молекулярных структур гуминовых кислот. Последствия неоднозначного характера деструктивных процессов, отчетливо выраженных в тонкодисперсных частицах, в отношении характеристик ГК. Механическая деградация гумуса при водно-эрозионных и техногенных воздействиях - следствие перераспределения наиболее вариабельных в количественном отношении фракций элементарных почвенных частиц.
6. Сравнительная оценка информативности показателей, характеризующих общие и специфические признаки химической, физико-химической, биохимической и механической деградации гумуса. Ранние симптомы деградации; показатели и их предельные значения, свидетельствующие о необратимости деградационных изменений.
Практическая значимость. На примере дерново-подзолистых почв разработан комплекс показателей для диагностики признаков антропогенной деградации гумуса. Обоснована перспективность его применения в целях мониторинга гумусного состояния почв в условиях несбалансированного земледелия, в том числе для ранней диагностики признаков деградации и прогнозирования тенденции развития деградационных процессов, для характеристики степени выраженности признаков на разных уровнях деградации, для выбора оптимальных способов восстановления утраченных качеств гумуса. Все показатели характеризуют важнейшие свойства почв, тесно связанные с обеспечением плодородия и экологической стабильности; отличаются информативностью, рефлекторностью к изменению условий среды; относительной простотой в определении и расчетах, т.е. отвечают требованиям к показателям, контролируемым в ходе почвенного мониторинга. Комплекс показателей, разработанный на примере дерново-подзолистых среднесуглинистых почв подзоны южной тайги, может быть применен для диагностики признаков антропогенной деградации гумуса более широкого ряда почв Нечерноземной зоны (при идентичности механического состава и почвообразующих пород).
По материалам многолетних исследований подготовлены учебное пособие УХимия гербицидов в почвеФ, на его основе - учебный лекционный спецкурс для студентов ф-та почвоведения МГУ; монография УДегумификация дерново-подзолистых почвФ с практическими рекомендациями по оптимизации гумусного состояния деградированных почв.
Апробация работы. Результаты исследований были доложены на Всесоюзном совещании кураторов проблем 5-летнего плана развития агрофитоценологии в СССР (Москва, 1979), Всесоюзном совещании УКомплексное изучение и рациональное использование природных ресурсовФ (Калинин, 1980), Всесоюзной конференции УМелиорация, использование и охрана почв Нечерноземной зоныФ (Москва, 1980), зональной научной конференции (Горький, 1980), Всесоюзном симпозиуме УМикроорганизмы как компонент биогеоценозаФ (Алма-Ата, 1982), межфакультетской научно-практической конференции УМГУ - сельскому хозяйствуФ (Москва, 1982), V и Международных симпозиумах УГумус и растенияФ (Прага, 1983; 1988), Всесоюзной конференции УМикроорганизмы в с.-х.Ф (Москва, 1986), Всесоюзном совещании УАгрофитоценозы и экологические пути повышения их стабильности и продуктивностиФ (Ижевск, 1988), съездах общества почвоведов (Санкт-Петербург, 1996; Новосибирск, 2004), международной научно-практической конференции УПриемы повышения плодородия почв, эффективности удобрений и средств защиты растенийФ (Горки, 2003), Международной научно-практической конференции УЭкологические проблемы с.-х. производстваФ (Воронеж, 2004).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 78 работ, в составе которых 58 статей в отечественных и международных изданиях, учебное пособие УХимия гербицидов в почвеФ, обзор УВзаимодействие гербицидов с почвамиФ, монография УДегумификация дерново-подзолистых почвФ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения, выводов, изложена на стр. машинописного текста, включает
таблиц, рисунков и список литературы из наименований.
Благодарности. Автор выражает глубокую благодарность своему учителю Д.С.Орлову, под руководством которого работа начиналась на кафедре химии почв ф-та почвоведения МГУ и в дальнейшем была продолжена в лаборатории УО ПЭЦ МГУ УЧашниковоФ. Автор благодарен и признателен А.С.Владыченскому, М.И.Макарову, Н.В.Стасюк, С.Я.Трофимову, В.Г.Минееву, П.Н.Балабко за ценную консультативную помощь, конструктивные критические замечания, благожелательный интерес и поддержку в завершении работы, коллективам сотрудников кафедр ф-та почвоведения и лаборатории центра за совместное участие в полевых исследованиях в период летней студенческой практики и предоставленную возможность проведения исследований на производственных и опытных полях УО ПЭЦ.
Глава 1. Антропогенная деградация гумуса и особенности её проявления в разных почвенно-климатических зонах
Понятие деградация гумуса до настоящего времени не имеет четкого унифицированного определения, несмотря на возрастающую значимость изучения характеристик гумуса и нарушения его функций при неблагоприятных воздействиях. Во многих работах деградация гумуса оценивается односторонне лишь как потеря гумуса, которую часто называют дегумификацией (Макунина, 1987; Розанов и др., 1990; Жуков, 1991; Щербаков и др., 1996; Лях, 2001; Ефимов, Иванов, 2001; ДеградацияЕ, 2002). При этом остаются открытыми такие вопросы, как структура потерь гумуса, механизм деградации, изменения качества и последствия этих изменений в отношении агрономической и экологической ценности гумуса..
1.1. Факторы и виды антропогенной деградации гумуса
Среди факторов, вызывающих деградационные изменения свойств почв, различают факторы природного, агрогенного и техногенного происхождения (Кузякова, 1995; Ведерников, Ворожкова, 1997; Карманов, Булгаков, 1998). Деградация гумуса в почвах агроландшафтов наиболее часто проявляется при совместном воздействии природных и антропогенных факторов с возможным усилением негативного влияния одного или обоих факторов (Кузякова, 1995; Черников и др., 1995). Информация, имеющаяся в литературе, позволяет различать два основных вида деградации гумуса: 1) химическую, физико-химическую и биохимическую, обусловленную трансформацией молекулярных структур гумусовых веществ при действии факторов агрогенного и природно-агрогенного происхождения; 2) физическую и механическую, связанную с перемещением почвенного материала при водно-эрозионных и техногенных воздействиях (табл.1.1).
Таблица 1.1. Факторы антропогенной деградации гумуса и категории деградированных
почв.
| Факторы деградации | Характер антропогенных воздействий | Вид деградации | Категории деградированных почв |
| 1.Агрогенные | Многолетнее с.-х. использование почв без агрохимических средств | Химическая, физико-химическая, биохимическая | Агрогенно-деградированные |
Длительное применение минеральных удобрений | |||
Химическая обработка почв | Биологическая и биохимическая | ||
| 2.Природно-агрогенные а) гидрологиче- б) водно-эрозион- ный | Пашня в условиях микрорельефа | Химическая, физико-химическая, биохимическая | Природно-агрогенно-деградированные |
Пашня в условиях мезорельефа | Физическая и механическая | Природно-агрогенно-эродированные (смытые) | |
| 3.Агротехногенные | Строительство осушительных мелиоративных систем | Физическая и механическая | Агротехногенно-нарушенные |
| 4.Техногенные | Строительство магистральных трубопроводов | Физическая и механическая | Техногеннонарушенные |
Наиболее распространенными во всех климатических зонах (по территориальному признаку) являются агрогенные и водно-эрозионный факторы; потери гумуса, фиксируемые нередко при их совместном проявлении на значительных территориях, преобладают в общей структуре потерь гумуса в масштабе страны (Мамаева, 1996; Ковалева, Танасиенко, 1996; Кирюхина, Пацукевич, 2004). В последнее 10-летие в разных регионах страны отмечается увеличение площади пахотных почв с признаками гидроморфизма и деградации гумуса как отражение негативных изменений гидрологического режима агроландшафтов (Зайдельман, 2000; 2002; Ахтырцев и др., 2002); возрастание техногенного давления на почвенный покров в связи с расширением строительства магистральных трубопроводов (Гельцер и др., 1993; ДеградацияЕ, 2002). Проявление агротехногенной деградации гумуса, обусловленное строительством осушительных мелиоративных систем, характерно для почв гумидных ландшафтов (Симакова, Гельцер, 1992; Гагарина, Матинян, 1993; Зайдельман, 1994; Большаков и др., 1995).
1.2. Изменение характеристик гумуса зональных почв при действии факторов разной природы
Наибольшее количество исследований выполнено по проблеме агрогенной деградации гумуса, обусловленной длительным землепользованием без применения агрохимических средств или с односторонним применением минеральных удобрений (МУ). Обширная информация, полученная в длительных полевых опытах на фиксированных объектах, в подавляющем большинстве случаев ограничена набором параметров, которые использовались при закладке опытов (как правило, это - общее содержание гумуса, характеристики ППК, в ряде случаев - уровень биопродуктивности). Обобщение этой информации позволяет выявить ряд закономерностей в проявлении признаков деградации на уровне общей гумусированности:
1) неоднозначный характер в изменении общего содержания гумуса в вариантах с МУ; 2) заметные потери гумуса (от 0,4 до 3,3 т/га в год практически во всех зональных почвах при их использовании без агрохимических средств. 3) увеличение размеров потерь - с возрастанием периода землепользования (но не более 20-25лет, т.е. по достижении почвой стационарного равновесия), в условиях монокультуры (особенно пропашной), на почвах легкого механического состава; 4) снижение потерь - в условиях севооборотов, особенно при насыщении их многолетними травосмесями. В идентичных условиях проведения полевых опытов наибольшая устойчивость к минерализационным процессам выявлена для гумуса типичных мощных черноземов, наименьшая - для гумуса почв подзолистого ряда.
Независимо от направленности в изменении общего уровня гумусированности при длительном использовании почв лесной и лесостепной зон без удобрений или с применением МУ зафиксировано ухудшение состояния ППК; в ряде опытов прослежено усиление подкисляющего и декальцинирующего действия МУ (особенно физиологически кислых форм) с возрастанием дозы и длительности применения (Лукьянчикова, 1980; Стулин, Золотарева, 1988;Лукин и др., 1994; Ивойлов и др., 1995; Бровкин, 1996; Мазур, 1999; Кольцова, Стекольников, 2001; Минеев и др., 2004). В аналогичных опытах на почвах степной зоны в условиях нейтральной и слабощелочной реакции отмечено относительно стабильное состояние ППК (Бижоев, 1988; Шапошникова, 1990; Лукин, 2003).
Специфика агрогенной трансформации гумусовых веществ в почвах разных климатических зон во многом определялась состоянием ППК. В условиях относительного стабильного состояния ППК в степных черноземах существенных изменений качественных характеристик гумуса не наблюдалось (Шапошникова, 1990; Безуглова, 2001). В почвах лесной и лесостепной зон часто отмечается повышение относительной доли подвижных соединений, как правило, адекватное степени выраженности процессов подкисления и декальцинации; во многих случаях возрастание количества подвижных форм гуминовых кислот было сопряжено с деструкцией гуматов (Лукьянчикова, 1980; Никитишен, Егорова, 1986; Куцыкович и др., 1986; Стулин, Золотарева, 1988; Шевцова, 1988; Кравец, 1991; Когут, 1996; Минеев и др, 2004; Надежкин, Жеряков, 2005). Признаки агрогенной трансформации гумуса прослежены в ряде работ также на уровне групп гумусовых веществ (Блащик, 1988; Кравец, 1991; Носко и др. 1992); ЭПЧ (Травникова и др., 1992; Травникова, 2002; Титова и др., 1995; 2000; 2005); молекулярных структур ГК (Щевцова, 1988; Кравец, 1991;Кончиц и др., 2005; Поляков и др., 2005). К сожалению, в подавляющем большинстве работ отсутствует информация о состоянии гумуса исходной почвы, в ряде случаев - об условиях проведения опытов, что наряду с противоречивостью результатов и зачастую их методической несопоставимостью затрудняет оценку реального эффекта агроприемов.
Признаки агрогенной деградации гумуса в связи с применением гербицидов зафиксированы преимущественно в почвах подзолистого ряда, характеризующихся низким уровнем биогенности и детоксицирующей способности; проявление признаков прослежено на уровнях общей гумусированности, групп и фракций гумусовых кислот (Бельков, 1973; Цветкова, 1973; Мочалова 1981; Блиев, 1983; Терешенкова и др., 1984; Кузякова, 1995); в отдельных опытах - на уровне молекулярных структур ГК (Раскатов, 2002). Негативный эффект гербицидов, как правило, усиливался с возрастанием дозы и длительности применения. Активное разрушение гумуса (более 50%) и ухудшение его качества существенно ослабляют протекторные свойства почвы и её способность к самовосстановлению (Терешенкова и др., 1984), что указывает на опасность применения повышенных доз гербицидов на почвах с низким уровнем биогенности.
Влияние гидрологического фактора на состояние гумуса характеризуется разной направленностью, обусловленной различиями в характере и степени увлажнения, в свойствах почвообразующих пород, характере угодий. При избыточном поверхностном увлажнении и длительном превалировании восстановительных условий в почвах разных климатических зон наблюдаются заметные потери гумуса и ухудшение его качества, проявляющееся в ослаблении признака гуматности и усилении фульватного характера (Ахтырцев, 1985; Зайдельман, Никифорова, 1986, Бенидовский, Бенидовская, 1987; Ахтырцев, Яблонских, 1995; Ахтырцев, 2002), по результатам отдельных исследований - в упрощении структуры гумусовых кислот (Ковалева, Ковалев, 2003). В целом, многие аспекты этой проблемы, в частности, особенности трансформации гумусовых веществ при нарастании гидроморфизма и оглеения, остаются малоизученными. Практически не изучены изменения характеристик гумусовых кислот и их молекулярных структур в тонкодисперсных частицах, наиболее подверженных влиянию избыточного увлажнения и оглеения.
Признаки водно-эрозионной деградации гумуса в почвах разных климатических зон охарактеризованы преимущественно по масштабам потерь гумуса, изменению его группового и фракционного состава, потерям гуминовых кислот из верхней части профиля (Грызлов и др., 1975; Скрябина, 1980; Опенлендер, 1980; Мукатанов и др., 1982; 1984; Шурикова, 1987; Кириллов, Хазиев, 1993; Русанова, 1995; Ковалева, Танасиенко, 1996; Танасиенко, 2002); лишь в отдельных работах содержатся сведения о деградации гумуса на уровне элементарных почвенных частиц (Танасиенко, 1977; 1981; Макарова и др., 1985) и молекулярных структур гуминовых кислот (Скрябина, 1980; Licznar et. al., 1985; 1988). Среди зональных почв наименее изученными являются почвы лесной зоны, несмотря на их меньшую противоэрозионную стойкость по сравнению с почвами степной и лесостепной зон (Кузнецов, 1981).
Многими авторами изучено изменение физических, химических, физико-химических и биологических свойств почвы при агротехногенных воздействиях, вызванных строительством осушительных мелиоративных систем, в то же время литературные сведения о влиянии дренажа на состояние гумуса немногочисленны и часто противоречивы. Противоречивость результатов, полученных разными авторами, может быть связана с различиями в способах осушения и в свойствах осушаемых почв. К тому же в ряде работ последствия дренажа рассматриваются в комплексе с агроприемами по восстановлению мелиорированной почвы, что затрудняет оценку реального вклада мелиоративного фактора в изменение характеристик гумуса. Зафиксированные некоторыми авторами деградационные изменения гумуса прослежены преимущественно на уровне общей гумусированности (Паас, 1985; Пестряков, Литвинович, 1987; Филон, 1989; Симакова, Гельцер, 1992; Азаренок, 2003) и лишь в единичных работах содержатся сведения об изменении состава гумуса и некоторых характеристик гумусовых кислот (Зайдельман, Ковалев, 1994).
Наименее изученным является вопрос о влиянии на состояние гумуса техногенных воздействий, вызванных строительством трасс магистральных трубопроводов (МТ). Отдельными авторами изучено изменение физических, химических, биологических свойств и биопродуктивности почвы после строительства МТ; выявлена зависимость морфологии профиля, состава и свойств техногенной почвы от степени разбавления материалом минеральных горизонтов, материнской и подстилающей пород. Вследствие более глубокого нарушения почвенного покрова в техногенных почвах фиксируются значительно большие размеры потерь гумуса по сравнению с мелиорированными почвами (Гельцер и др., 1990;1993). Изменение качественных характеристик гумуса при техногенных воздействиях не изучено.
Анализ имеющейся в литературе информации о влиянии разных факторов на состояние гумуса свидетельствует об отсутствии системного подхода к изучению признаков деградации. Отмеченные при изучении практически каждого из факторов фрагментарность, разобщенность и противоречивость результатов в значительной мере затрудняют их обобщение и выявление надежных критериев для оценки признаков деградации.
Глава 2. Объекты и методы исследования
Для выявления внутренних механизмов устойчивости (или чувствительности) гумуса к неблагоприятным воздействиям на основе сравнительной характеристики его компонентного состава, структурных особенностей и свойств гумусовых кислот разного происхождения исследовались контрастные по типу гумусообразования почвы: дерново-подзолистая (Московская обл., Дмитровский р-н, ст.Луговая, ВНИИ кормов им.В.Р.Вильямса), типичный мощный чернозем (Курский Центрально-черноземный заповедник), типичный серозем (Ташкентская обл., Ак-Кавакская агротехническая опытная станция). Во всех регионах отбирались образцы целинных и окультуренных почв, сформированных на близких по происхождению и механическому составу почвообразующих породах - лессовидных суглинках различной степени карбонатности. Образцы окультуренных почв каждого типа отбирались на опытных полях, однородных по рельефу и почвенным условиям, но занятых с.-х. культурами с разными биологическими особенностями и агротехникой возделывания (пропашной, зерновой, бобовой , злаково-бобовой травосмесью). В образцах почв изучались групповой состав гумуса по схеме И.В.Тюрина (1965) в модификации Д.С.Орлова (1975) с раздельным определением групп специфических ГК и ФК (по Форситу), веществ неспецифической природы (входящих в состав спирто-бензольного экстракта и остающихся в растворе после отделения собственно ФК), нерастворимого остатка. ГК и ФК характеризовали по элементному составу, степени гидролизуемости - (по С и N), содержанию ароматических продуктов окислительной деструкции КМnO4, содержанию N в устойчивых гетероциклах ядра, характеру спектров поглощения в видимой, ультрафиолетовой и инфракрасной областях (Орлов, Гришина, 1981); [1]. Состав и свойства ароматических продуктов, полученных при окислении ядерной части ГК, изучались сочетанием методов хроматографии на бумаге, УФ-спектроскопии, элементного анализа [5].
Особенности трансформации гумусовых веществ в разных условиях землепользования, созданных действием факторов агрогенного, природно-агрогенного и техногенного происхождения и системой агромероприятий по восстановлению утраченных качеств гумуса, изучались на примере дерново-подзолистых среднесуглинистых почв, сформированных на покровных суглинках, подстилаемых тяжелосуглинистой мореной (Московская обл., Солнечногорский р-н, УО ПЭЦ МГУ УЧашниковоФ). По дифференциации почвенного покрова, характеру рельефа, гидрологии и почвообразующих пород территория Чашниково типична для подзоны южной тайги. Изучались почвы залежи (на подвергавшейся вспашке в течение 5 лет) и производственных полей 4-польного зернотравопропашного севооборота с 5-м выводным клином.
Агрогенные факторы
1. Обработка залежной почвы симазином (1976-1981гг): 2,5 кг/га однократно (1976г.); 2,5 кг/га 3-кратно (1976, 1977, 1978гг); 50 кг/га (1976г.). В 1979г. на половину делянок, обработанных симазином в дозе 50 кг/га, внесен ТНК, 60 кг/га.
2. 4-летняя культура кукурузы (1982-1985гг). Опытные делянки размером 100м2 в 3-кратной повторности для каждого варианта в пределах выводного производственного поля (16га), приуроченного к выровненному слабо пологому склону водораздела. Варианты: а) без удобрений и извести; б) минеральная система: за 4 года внесено на 1га N270P150K460, известкование не проводилось; в) органоминеральная система: за 4 года внесено на 1га N270P150K460 и 180т ТНК, проведено 1-кратное известкование по 1г.к.
Гидрологический фактор
Пашня (16га) в условиях развитого микрорельефа: около 20% площади занимают замкнутые микропонижения, или западины, диаметром от 3 до 20м, глубиной от 5 до 30см с характерным режимом избыточного поверхностно-застойного увлажнения. Почвенные разрезы были заложены в глубоких местах западин и на прилегающих к ним повышенных участках; в самой глубокой западине заложен почвенно-геоботанический профиль протяженностью 9м. С.-х. культуры в годы исследования (1986-1998гг): подсолнечник, овес, травы, ячмень.
Водно-эрозионный фактор
Пашня (11га) в условиях мезорельефа (с разницей высот 15-20м) на склонах СВ и В-экспозиции; к частям склонов крутизной не более 30 приурочены слабосмытые почвы; 3-50 и более - среднесмытые. С.-х. культуры в годы исследования (1996-2003гг): ячмень, одно- и многолетние травы, вико-овсяная смесь.
Агротехногенный фактор
Пашня (12га), слабопологий склон водораздела, примерно 1/3 площади занимают микропонижения в форме потяжин с характерным режимом избыточного поверхностно-проточного увлажнения. 1987г - по всей площади поля построена осушительная система в виде закрытого гончарного дренажа, дрены заложены на глубине 0,8-0,9м с междренным расстоянием 15-20м. С.-х. культуры в годы исследования (1987-1993гг): оз.пшеница, картофель, ячмень, травы. Агромероприятия: 1989 - ТНК, 40т/га; 1989 и 1990гг - известкование по 1г.к. и 0,5г.к.; 1988-1993гг - N260P90K270.
Техногенный фактор
Пашня (17га), слабо пологий склон водораздела; 1985г. - проложена траншея магистрального трубопровода глубиной 2,0-2,3м, шириной 2м. На разрезе траншеи на глубине 100-140см видна морена, на которой по неровной, но четкой границе залегают покровные суглинки. Наряду с образцами почвы отбирали образцы почвообразующей и подстилающей пород. С.-х. культуры в годы исследования (1985-2000гг): ячмень, подсолнечник, овес, травы. Агромероприятия: 1986г. - ТНК, 60т/га; 1987-1990гг и 1993-2000гг - травосеяние; 1987 и 1994гг - известкование по 0,75 и 0,5 г.к.; 1986-1995гг - N340P300K360.
Для изучения пространственной изменчивости свойств почвы на всех объектах проводился отбор образцов методом скважин (1 скважина на 1га до глубины 80-100см) и прикопок (1 прикопка на 0,25-0,5га до глубины 40см). Для сведения к минимуму пестроты данных за счет сезонной изменчивости образцы почвы отбирались в один и тот же срок - в июне. В образцах почвы всех исследованных объектов определялись влажность (гигроскопическая и полевая), рН, гидролитическая кислотность, содержание обменных Са и Мg, гумуса, азота - общепринятыми методами (Практикум по агрохимии. 2001); групповой и фракционный состав гумуса по методу Тюрина в модификации Пономаревой и Плотниковой (1980); гранулометрический состав (Айдинян, 1947; Вадюнина, Корчагина, 1973). Фракции ЭПЧ характеризовали по содержанию гумуса, обменных Са и Мg, групповому и фракционному составу гумуса. Для характеристики гумусовых кислот, выделенных из почв и фракций ЭПЧ, применяли методы спектроскопии и гель-хроматографии. Специфика нарушения условий гумификации охарактеризована дополнительными показателями - интенсивности дыхания по Макарову (1975), каталазной активности по Айеру и Уайльду (1974) в модификации Овчинниковой и Орлова [10], ОВП (Зырин, Орлов, 1964), содержания подвижных FeO и Fe2O3 (Александрова, Найденова, 1976). Деградацию гумуса оценивали 4-мя степенями (нулевая, слабая, средняя, сильная) по размерам потерь запаса гумуса в 40-см слое (МетодикаЕ, 1994); [44]. Проводилась оценка биопродуктивности почвы по величине урожая с.-х. культур.
Полученные результаты обрабатывались методами вариационного, корреляционного и дисперсионного анализов.
Глава 3. Основы экологической устойчивости гумуса и критерии оценки его деградационной трансформации
Степень выраженности признаков деградации гумусовых веществ при неблагоприятных воздействиях определяется характером воздействий, спецификой нарушения условий гумификации и природой самого гумуса, составом и свойствами компонентов, различающихся по степени устойчивости к биодеградации. Выявлению основ природной устойчивости гумуса и обоснованию критериев для оценки признаков его деградационной трансформации способствовало применение метода пространственных аналогий, позволяющего сравнительно оценить характеристики гумуса, сформированного в разных биоклиматических условиях.
3.1. Приоритетная роль гуминовых кислот в обеспечении устойчивости гумуса и в диагностике признаков его деградации
Экологическая устойчивость гумуса и его агрономическая ценность ассоциируются с гуминовыми кислотами (ГК) - наиболее зрелыми и специфичными представителями гумусовых веществ. Отчетливо выраженное закономерное изменение количественных и качественных характеристик ГК в зонально-генетическом аспекте (при оптимальных значениях в типичных чернозёмах), адекватная реакция фракции ГК на изменение экологической ситуации [2; 5; 21; 28; 32; 43; 44] наряду с ведущей ролью ГК в обеспечении ценных качеств гумуса и активным участием в обменных биохимических процессах определяют приоритетность изучения именно этой группы гумусовых веществ в условиях возрастающего антропогенного давления. По результатам многолетних исследований, изменение содержания фульвокислот (ФК), находящихся в составе сложноэфирных соединений с ГК, тесно связано с изменением содержания соответствующих фракций ГК, что дает основание рассматривать эти формы ФК как предшественники ГК или как продукты их деструкции. Среди фракций ФК самостоятельное значение имеют только свободные формы и комплексы с подвижными R2O3, содержание которых изменяется адекватно смене экологической ситуации и является одним из показателей степени выраженности кислотных свойств гумуса. В варьировании содержания органических веществ нерастворимого остатка в зависимости от различных факторов не выявлено отчетливо выраженных закономерных изменений [2; 5; 11; 21; 32-36; 44], что не дает оснований для применения показателя в качестве критерия оценки природных качеств гумуса и их изменений при неблагоприятных воздействиях.
Особая роль ГК в обеспечении экологической стабильности гумуса обусловлена их структурными особенностями, многообразием форм и специфичностью свойств органоминеральных производных, среди которых наибольшей устойчивостью к разлагающему действию микроорганизмов характеризуются комплексно-гетерополярные соли . прочно связанные с Ca, Mg, Fe, Al, или так называемые металлогуматы; скорость их минерализации в почвенных условиях исчисляется сотнями и даже тысячами лет (Орлов, 1992; Травникова, Шаймухаметов, 2000). Гуминовые кислоты, прочно закрепленные глинистыми минералами в составе нерастворимого остатка, могут сохраняться в почве до нескольких десятков лет; ещё менее устойчивы к биодеградации подвижные формы фульвокислот и неспецифические органические соединения, которые разлагаются в период от нескольких месяцев до нескольких лет (Титова, 2000; Травникова и др., 1992; 2000).
3.2. Специфика структуры ГК, роль азота в обеспечении её устойчивости и оценке направленности гумификации.
На примере почв, представляющих контрастные типы гумусообразования (подзолистый, чернозёмный и пустынно-степной), показано, что повышение степени зрелости и соответственно биохимической и термодинамической устойчивости ГК, достигающее максимального выражения в типичных черноземах, связано с возрастанием относительной доли центральной ядерной части, степени её конденсированности, содержания азота негидролизуемых соединений, в том числе устойчивых к окислению гетероциклических форм, на фоне обеднения азотом гидролизуемых структур и за счет этого исходных препаратов (рис.3.1). Отмеченная закономерность подтверждена показателями элементного состава, интенсивности светопоглощения в видимой и УФ-областях [1; 5], характером ИК-спектров исходных препаратов ГК и ароматических продуктов окислительной деструкции их негидролизуемых остатков (рис.3.2). Гетерогенность ароматических продуктов окисления и присутствие среди них гетероциклических соединений азота подтверждены результатами хроматографии на бумаге в сочетании с УФ-спектроскопией (рис.3.3), показателями элементного состава, атомных отношений С/О и С/N, молярных коэффициентов погашения [5]. В пределах каждого из исследованных типов почв возрастание относительной доли N негидролизуемых соединений, в том числе N гетероциклов, при сохранении высокого уровня абсолютных запасов N в подвижных формах выявлено под бобовыми культурами, что коррелирует с более высокими показателями степени конденсированности ГК, позитивной направленностью процесса гумификации (рис.3.4) и является основой положительного баланса гумуса высокого качества и более высокой агрогенной устойчивости гумуса в севооборотах, насыщенных злакобобовыми травосмесями [2; 4-6; 32].
А. Содержание ароматических продуктов Б. Содержание азота в устойчивых гетеро-
в гидролизуемой части ГК (а),негидро- циклах ядра (а), в ядре (б), в гидролизу-
лизуемой части (б), исходных препара- емой части (в), исходных препаратах ГК (г)
тах ГК (в).
Рис.1.1. Характеристика ГК и их структур по степени конденсированности (А) и
содержанию азота (Б). [5]. Почвы: 1 - дерново-подзолистая; 2 - типичный
мощный чернозем; 3 - типичный серозем.
При изучении структурных особенностей ГК в зависимости от экологической ситуации выявлена высокая эффективность методов гель-хроматографии и спектроскопии. Повышение в составе ГК относительной доли оптически плотных среднемолекулярных компонентов (СМК) при соразмерном соотношении с содержанием лабильных высокомолекулярных компонентов (ВМК) свидетельствует о позитивной направленности процесса гумификации, что подтверждается характером ММ-распределения гуматов хорошоокультуренной дерново-подзолистой почвы; нарушение оптимального соотношения структур, отчетливо выраженное в слабоокультуренной почве, является признаком деградационных изменений ГК (рис.3.5).
Рис.3.2. Инфракрасные спектры поглощения ГК (А) и ароматических веществ,
полученных окислением ГК (Б): 1 - дерново-подзолистая почва, лес; 2 -
типичный мощный чернозём, степь. [5].
Рис.3.3. Хроматограмма и УФ-спектры ароматических соединений, полученных окислением
гуминовой кислоты [5].
1-6 - пиррол- и бензолкарбоновые кислоты различного характера и степени замещения
А Б
Рис.3.4. Влияние с.-х. культуры на отношение N негидролизуемый/ N гидролизуемый (А)
и глубину гумификации (Б): а - пропашная; б- зерновая; в- травосмесь. 1,2,3 -
названия почв, см.рис.3.1. [2-6].
Рис.3.5. Гель-хроматограммы гуматов из слабоокультуренной (А), среднеокультуренной
(Б) и хорошоокультуренной (В) дерново-подзолистых почв. [26,32].
3.3. Значение фракционного состава гумусовых кислот в оценке направленности гумификации
По данным гель-хроматографии и спектроскопии среди фракций ГК дерново-подзолистых почв наиболее зрелыми и ароматичными являются гуматы; наиболее обогащенными алифатическими структурами - ГК3 (рис.3.6).
Рис.3.6. Гель-хроматограммы ГК1(а), ГК2(б), ГК3(в) из дерново-подзолистой
залежной почвы (А1). [16, 18, 24].
Аналогичная закономерность прослежена в других зональных почвах, наиболее отчетливо - в типичном чернозёме, характеризующемся максимальным накоплением гуматов и ярко выраженным гуматным составом второй фракции гумусовых кислот при многократном превышении количества высококонденсированных, обогащенных гетероциклическими соединениями N гуматов над фульватами. Учитывая эту закономерность и рассматривая ФК как предшественники ГК, можно полагать, что отношение Сгк2/Сфк2 является отчетливым отражением второго этапа гумификации, для которого характерны усложнение структуры ГК, возрастание степени конденсированности, уменьшение ММ. Аналогичным образом, отношение Сгк1/Сфк1 мы рассматриваем как отражение первого этапа гумификации, или процесса новообразования ГК. В ряду дерново-подзолистых почв: слабо-, средне- и хорошоокультуренная - отмечено закономерное возрастание обеих величин, свидетельствующее об интенсификации процессов и новообразования ГК, и усложнения их структуры; прослежено соответствие показателей характеру ММ-распределения и Е-величинам ГК [32; 58].
3.4. Роль фракций ЭПЧ в детерминировании характеристик гумуса и гумусовых кислот и в проявлении признаков их деградации
Гумусовые вещества, аккумулированные в илистых и пылеватых частицах, существенно различаются по составу, свойствам, формам связи с минеральными компонентами, функциональным особенностям (Титова и др., 1987; 1989; 1995; Blair et. al., 1997; Tarchitzky et. al., 2000; Laird et. al., 2001; Chefetz et.al., 2002); [25; 37; 56]. Илистые частицы характеризуются очень низкой активностью процесса гумификации на обеих стадиях формирования гуминовых кислот, фульватным составом гумуса, доминированием среди ГК фракций ГК1 и ГК3, представленных слабоконденсированными незрелыми формами (рис.3.7). В мелко- и среднепылеватых частицах отмечено существенное повышение интенсивности процесса полимеризации гумусовых структур, сопряженное с возрастанием относительной доли Са в составе обменных катионов; гуматный или фульватно-гуматный состав гумуса; доминирование среди гуминовых кислот наиболее зрелых оптически плотных ГК1 и ГК2. Количественное соотношение гумуса пылеватых и илистых частиц адекватно характеризует степень выраженности его гуматности (или фульватности); изменение соотношения при смене экологических условий является одним их важнейших признаков деградации или реградации гумуса и гумусовых кислот на уровне фракций ЭПЧ.
Рис.3.7. Некоторые свойства фракций ЭПЧ дерново-подзолистой почвы.
А - содержание обменных оснований; Б - содержание гуматов и фульватов;
В - отношения Са : Мg; Сгк2 : Сфк2; Сгк : Сфк; Г - Е-величины ГК1, ГК2, ГК3.
На основании приведенных материалов можно заключить, что наиболее высокой потенциальной устойчивостью к деградации практически по всем параметрам характеризуется гумус типичных чернозёмов, наибольшей предрасположенностью - гумус почв подзолистого ряда. Характерными признаками гумуса, чувствительного к неблагоприятным воздействиям, являются: фульватный или гуматно-фульватный состав; слабая степень гумификации (при уровне накопления специфических гуминовых кислот не более 20%); очень низкая (или крайне низкая) доля гуматов в составе ГК (менее 20%); преобладание среди компонентов ГК структур алифатической природы (60-70%), среди азотсодержащих соединений - гидролизуемых форм (60-70%); низкая (в 3-4 раза уступающая типичному чернозёму) доля азота устойчивых гетероциклов в составе ядра (12-15% гуминового азота). В этом аспекте дерново-подзолистые почвы можно рассматривать как наиболее подходящий объект для изучения деградации гумуса с целью ранней индикации признаков и выявления надежных критериев их оценки на разных уровнях деградации.
Глава 4. Особенности деградации гумуса как отражение специфики нарушения условий гумификации.
Ответные реакции гумусовых веществ на агрогенные, природно-агрогенные и техногенные воздействия изучены на примере дерново-подзолистых почв, гумусовая система которых чрезвычайно чувствительна к изменению условий гумификации. В работе применен системный подход к изучению признаков деградации гумуса на разных уровнях его структурной организации во взаимосвязи со спецификой нарушения условий гумификации и с обоснованием механизма деградации.
4.1. Специфика агрогенной деградации гумуса.
В последние годы отмечается возрастание масштабов агрогенной деградации гумуса в связи с сокращением объемов применения агрохимических средств, нарушением систем земледелия, применением агромероприятий, неадекватных зональным условиям гумусообразования.
4.1.1. Особенности трансформации гумусовых веществ в условиях многолетнего использования почвы без агрохимических средств или с применением минеральных удобрений.
После 4-летнего возделывания кукурузы на слабокислой дерново-подзолистой почве без применения агрохимических средств или с односторонним применением минеральных удобрений (МУ) нами зафиксированы негативные изменения условий гумификации ( дефицит гумусообразователей, подкисление, обеднение ППК обменными основаниями) и ухудшение характеристик гумуса (рис.4.1) вследствие усиления минерализационных процессов и некомпенсируемого выноса элементов питания с урожаем кукурузы. Одним из характерных и специфичных признаков деградации, определяемой как химическая и биохимическая деградация, является ослабление процесса полимеризации гумусовых структур и деструкция гуматов, максимально выраженная в подзолистом горизонте, где отмечено изменение реакции среды от среднекислой до сильнокислой [44]. По данным гель-хроматографии деструкция гуматов происходит преимущественно за счет высокомолекулярных структур, отчасти за счет среднемолекулярных при незначительном возрастании количества низкомолекулярных компонентов (рис.4.2). Четко выраженное перераспределение среди фракций гумусовых кислот с возрастанием количества подвижных соединений отмечено на фоне менее существенных изменений общего содержания и группового состава гумуса. По размерам потерь гумуса почва диагностирована как недеградированная или слабодеградированная; потери ГК в общей структуре
Рис.4.1. Показатели химических свойств и направленности процесса гумификации в
дерново-подзолистой почве после 4-летней культуры кукурузы:
а - исходная почва; б - контроль без удобрений; в - N270P150K460;
Рис.4.2. Гель-хроматограммы гуматов дерново-подзолистой почвы (Апах).
а - исходная почва; б - контроль без удобрений; в - NPK.
потерь гумуса составили около 60 %, при этом более половины потерь (53 %) приходится на гуматы [44; 49; 56]. Негативные изменения направленности процесса гумификации дополнительно охарактеризованы показателями степени агрессивности ФК, фракционного распределения ГК [33; 34; 40; 44], количественного соотношения гумуса, аккумулированного в пылеватых и илистых частицах [56]. По большинству показателей в обоих вариантах опыта отмечены однонаправленные негативные отклонения от исходных значений. В то же время при сопоставлении самих вариантов выявлена устойчивая тенденция к позитивной направленности процесса гумификации в варианте с NPK по таким показателям как степень и глубина гумификации, степень зрелости гуматов, их оптические свойства и относительная доля в их составе более ароматичных и более оптически плотных среднемолекулярных компонентов (табл.4.1); это может быть связано с положительной ролью N в процессе гумификации и формировании более устойчивых структур ГК.
Таблица 4.1. Состав гумусовых кислот и свойства гуматов дерново-подзолистой
почвы в зависимости от системы удобрений (Апах).
| Показатель | Исходная почва | 4-летняя культура кукурузы | ||
| без удобрений и извести | N270P150K460 | НСР05 | ||
Гумус, % | 3,09 | 2,83 | 2,85 | 0,19 |
Сгк, % от Собщ | 32,9 | 28,8 | 31,1 | 1,5 |
Сгк:Сфк | 0,94 | 0,78 | 0,83 | 0,05 |
Сгк2, % от Собщ | 8,5 | 5,8 | 6,9 | 1,1 |
Сгк1:Сфк1 | 1,26 | 1,14 | 1,39 | 0,09 |
Сгк2:Сфк2 | 0,63 | 0,45 | 0,47 | 0,05 |
ММ-распределе-ние гуматов: ВМК, % СМК, % НМК, % ВМК:СМК | 52,2 33,5 14,3 1,56 | 46,2 30,5 23,3 1,51 | 45,5 32,1 22,4 1,42 | 1,5 0,6 2,0 0,03 |
Е-величины гуматов | 0,078 | 0,063 | 0,069 | 0,006 |
4.1.2. Изменение гумусного состояния почв под влиянием химической обработки.
Нарушение процесса гумификации при обработке почв гербицидами связано с дефицитом гумусообразователей и ослаблением общей напряженности биологических процессов, которую оценивали по интенсивности дыхания (ИД), каталазной активности (Ка), численности и видовому составу микроорганизмов [9; 10; 13-15; 17; 24; 44]. Выявлена зависимость глубины подавления ИД и Ка от степени фитотоксического действия и последействия симазина; отмечен близкий характер сезонной и многолетней динамики показателей в вариантах с полным сведением разнотравья химической и ручной прополками (рис.4.3). Более глубокое ингибирование биологических процессов наблюдали в варианте с химической прополкой, что обусловлено непосредственным микробоцидным действием экстремальной дозы симазина в отношении некоторых групп
- симазин 2,5 кг/га (1976г.); - симазин 2,5кг/га (1976-1978); - ручная прополка; x-симазин 50кг/га (1976г)
Динамика среднесезонных отклонений от контроля интенсивности дыхания (А) и
каталазной активности (Б) залежной дерново-подзолистой почвы.
Ошибка! Ошибка связи.
Влияние симазина (50 кг/га) на динамику отклонений от контроля содержания
ГК1(а), ГК2(б), ФК1(в), ФК2(г), негидролизуемого остатка (д).
Гель-хроматограммы гуминовых кислот
Рис.4.3. Влияние химической и ручной прополки на свойства почвы, характеристики
гумуса и гумусовых кислот
микроорганизмов [17]. На фоне снижения численности чувствительных к препарату видов наблюдалась активизация устойчивых мутантов, способных к разложению и гербицида, и гумусовых веществ почвы при недостаточном поступлении (или отсутствии) свежих органических остатков. Характер многолетней динамики содержания гумусовых соединений свидетельствует о быстрой деструкции подвижных фракций в начальный период и снижении на более поздних этапах содержания прочно связанных с минеральной частью гуматов и гумина (рис.4.3). В варианте с экстремальной дозой симазина почва диагностирована как среднедеградированная; около 30 % потерь гумуса обусловлено снижением содержания ГК, преимущественно их подвижных фракций (46 %), в меньшей степени - ГК2 (26 %) и ГК3 (28 %). По данным гель-хроматографии деструкция всех фракций ГК независимо от способа сведения разнотравья происходит преимущественно за счет высокомолекулярных структур (рис.4.3). Возрастание (или тенденция к возрастанию) величин оптической плотности ГК в вариантах с прополкой является результатом увеличения относительной доли более ароматичных и оптически плотных среднемолекулярных компонентов (табл.4.2). Полное исключение фитофактора из компонентов биоценоза и ослабление биологической деятельности привели к существенному снижению интенсивности процесса гумификации и на стадии новообразования ГК, и на стадии усложнения их структур; смене гуматно-фульватного типа гумуса на фульватный (табл.4.2). Вследствие более выраженной деструкции подвижных соединений формировалась более инертная система гумусовых кислот, находящаяся в равновесии с изменившимися условиями среды [18; 22; 25; 44].
Таблица 4.2. Влияние химической и ручной прополки на состав и свойства гумусовых
кислот (0-10см).
| Вариант | Запас т/га 0-10 см | Сгк Сфк | Сгк1 Сфк1 | Сгк2 Сфк2 | ВМК :СМК | Е-величины | |||||
гумус | ГК | ГК1 | ГК2 | ГК3 | ГК1 | ГК2 | ГК3 | ||||
Контроль | 40,3 | 5,1 | 0,87 | 0,94 | 0,81 | 1,45 | 1,24 | 2,39 | 0,047 | 0,056 | 0,050 |
Ручная прополка | 33,8 | 4,0 | 0,71 | 0,76 | 0,66 | 1,10 | 1,07 | 2,11 | 0,060 | 0,068 | 0,058 |
Симазин, 50 кг/га | 31,2 | 3,5 | 0,57 | 0,59 | 0,58 | 1,12 | 1,05 | 1,71 | 0,049 | 0,079 | 0,068 |
НСР05 | 3,3 | 0,4 | 0,10 | 0,10 | 0,07 | 0,11 | 0,06 | 0,20 | 0,004 | 0,007 | 0,005 |
4.2. Признаки деградации гумуса в условиях избыточного поверхностного увлажнения.
При избыточном поверхностном увлажнении, характерном для отрицательных элементов рельефа (в условиях развитого микрорельефа), наблюдается нарушение гидрологического режима, щелочно-кислотного равновесия, превалирование анаэробных восстановительных условий, что приводит к формированию поверхностно-оглеенных почв с характерными признаками химической, физико-химической и биохимической деградации гумуса. Морфологические признаки оглеения наиболее отчетливо выражены в почвах замкнутых микропонижений - западин. По ряду показателей выявлено усиление признаков оглеения от мелкой западины к глубокой и от окраины к центру по мере ухудшения водно-воздушного режима (рис.4.4; табл.4.3.). Оглеение, развивающееся даже при кратковременном, но периодическом затоплении микропонижений, существенно ослабляет процесс гумификации вследствие усиления реакций гидролиза, резкого снижения активности окислительных ферментов - фенолоксидаз и усиления действия редуцирующих ферментов анаэробной микрофлоры, способствующей накоплению в почве водорастворимых органических соединений с кислотными свойствами, что приводит к существенной потере гумуса и ухудшению его качества [28; 30; 40; 43; 44]. По снижению запаса гумуса в сравнении с автоморфными разностями оглеенные почвы охарактеризованы как сильнодеградированные. 35-40% потерь гумуса приходится на гуминовые кислоты и преимущественно на их подвижные формы (более 50%). Характерной особенностью деградационной трансформации гумусовых веществ в условиях избыточного увлажнения является ослабление процесса новообразования гуминовых кислот и глубокая деструкция ГК1, сопряженная с упрощением их структуры. Изменения характеристик ГК2, более устойчивых в условиях переувлажнения и оглеения, выражены не столь значительно (табл.4.4).
Деструктивные процессы гуминовых кислот локализованы в тонкодисперсных частицах, наиболее подверженных деградационной трансформации. Снижение интенсивности процесса гумификации на стадии новообразования ГК отчетливо проявилось в илистых и мелкопылеватых частицах, на стадии формирования гуматов - в мелко- и среднепылеватых частицах. Во фракции мелкой пыли наблюдали заметное снижение Е-величин подвижных ГК (результат деструкции алифатических и ароматических структур) и некоторое возрастание Е-величин гуматов, что свидетельствует о деструкции их высокомолекулярных структур (рис.4.4). Именно на мелко- и среднепылеватые частицы приходится большая часть потерь гуминовых кислот и гумуса в целом.
Вследствие преимущественных потерь подвижных соединений и, возможно, периферических структур гуматов в оглеенных почвах формируется мало подвижная инертная группа ГК.
4.3. Признаки деградации гумуса при действии водно-эрозионного фактора.
Специфика процесса гумификации в условиях мезорельефа тесно связана с особенностями перераспределения по элементам рельефа склонов разнокачественных по содержанию и составу гумуса тонкодисперсных частиц, а также со степенью разрушения гумусово-аккумулятивного горизонта и припахивания к нему почвенного материала из нижележащих горизонтов, как правило, менее гумусированных, с иным соотношением фракций ЭПЧ и менее благоприятным составом гумуса.
Свойства минеральных горизонтов, материнских и подстилающих пород, которые приближаются к дневной поверхности при активном проявлении водно-эрозионных процессов, во многом определяют специфику профильного распределения показателей гранулометрического состава, химических свойств,
Признаки оглеения в почве западины Содержание FeO в почвах
глубиной 30 см: западин (1-3) и повышений (4-6)
а - бурые конкреции, ед. обилия;
б - голубоватые пятна, % от площади;
в - охристые пятна, то же;
г - темные серые конкреции, ед. обилия.
Состав гумусовых кислот и Е-величины гуминовых кислот во фракциях ЭПЧ почвы повышенного участка (а) и западины (б), Апах.
Рис.4.4. Влияние избыточного поверхностного увлажнения на свойства почвы и
характеристики гумусовых кислот.
Таблица 4.3.Величины ОВП (Апах.) Таблица 4.4. Е-величины ГК в профиле почвы
Элемент рельефа | Прикопка, № | ОВП, мВ | ||||||
июль | август | |||||||
| Повышения | 1 2 3 | 477 476 472 | 486 483 485 | |||||
Западины глубина 10см 20см 30см | 4 5 6 | 398 360 332 | 404 378 358 | |||||
| НСР05 12 | ||||||||
Элемент рельефа | Горизонт, глубина, см | Е-величины | ||||||
| ГК1 | ГК2 | ГК3 | ||||||
| Повышение | Ар 0-23 | 0,070 | 0,086 | 0,033 | ||||
Е 23-40 | 0,069 | 0,084 | 0,040 | |||||
В 40-60 | 0,045 | 0,106 | 0,027 | |||||
| Западина | Арg 0-20 | 0,056 | 0,086 | 0,025 | ||||
Еg 20-40 | 0,040 | 0,102 | 0,041 | |||||
Вg 40-60 | 0,035 | 0,105 | 0,040 | |||||
гумусного состояния. Для смытых почв характерны: утяжеление механического состава за счет илистых и отчасти мелкопылеватых частиц, обеднение пахотного слоя частицами средней пыли [45]; ухудшение химических свойств; нарушение свойственного дерново-подзолистым почвам характера профильного распределения обменных оснований (рис.4.5).
Изменение показателей химических свойств в профиле почвы
Роль фракций ЭПЧ в изменении качества гумуса под влиянием водной эрозии.
Оптическая плотность гуминовых кислот фракций ЭПЧ (Ар).
Рис.4.5. Влияние водной эрозии на химические свойства почвы, характеристики
гумуса и гумусовых кислот: а - несмытая почва; б - слабосмытая;
в - среднесмытая.
Важным диагностическим признаком смытых почв наряду с изменением морфологии профиля и характеристик ППК является потеря гумуса, по размерам которой слабо- и среднесмытые почвы охарактеризованы как слабо- и среднедеградированные; 45-48 % общих потерь гумуса составляют ГК, преимущественно их подвижные формы (51-60%). Изменение оптических характеристик свидетельствует об упрощении структуры ГК смытых почв [45].
Негативные изменения характеристик гумуса и ГК детерминированы спецификой количественного перераспределения гранулометрических фракций, что подтверждает механическую природу деградации. Для смытых почв характерно снижение показателей количественного соотношения гумуса и ГК, аккумулированных в пылеватых и илистых частицах (рис.4.5), что свидетельствует об усилении признаков фульватности гумуса и снижении степени зрелости ГК. Наибольшие потери ГК (в том числе ГК1и ГК2) зафиксированы во фракции средней пыли (рис.4.5), что связано с уменьшением её количества и ухудшением качественных показателей. По характеру изменения Е-величин ГК в зависимости от размера фракций ЭПЧ можно полагать, что упрощение структуры ГК1 и ГК2 в смытых почвах происходит в основном за счет илистых и мелкопылеватых частиц вследствие их разбавления частицами из нижележащих горизонтов. В отношении ГК3 отмечена относительная стабильность Е-величин во всех исследованных разностях почв, генетических горизонтах [45] и фракциях ЭПЧ.
4.4. Деградационные изменения гумуса под влиянием агротехногенного фактора
Строительство осушительной мелиоративной системы способствовало оптимизации гидрологического режима, уменьшению плотности , увеличению пористости верхних слоев почвы, сглаживанию различий в свойствах поверхностно-оглеенных почв и их автоморфных аналогов [35; 40; 43; 44], в то же время нарушение почвенного покрова при прокладывании дренажных траншей (до глубины 0,8-0,9м) и извлечение на поверхность малоплодородного почвенного материала из нижних горизонтов способствовали проявлению механической деградации гумуса, связанной с негативными изменениями таких факторов гумификации, как состав минеральной части и гранулометрический состав почвы. Через год после проведения дренажных работ наблюдали утяжеление механического состава за счет илистых и мелкопылеватых частиц снижение содержания средней пыли (рис.4.6). В обеих разностях почвы зафиксированы негативные изменения характеристик ППК, снижение содержания гумуса, отчетливо выраженные в местах прохождения дренажных траншей, либо в непосредственной близости от них. Снижение запаса гумуса из 40-см слоя осушенных почв составило 11-15 %, что позволило охарактеризовать их как слабодеградированные; запас ГК снизился на 30-40 % преимущественно за счет ГК1 (42-53 %) и ГК2 (33 %); табл.4.5. Ослабление процесса гумификации, прослеженное на обеих стадиях (новообразования ГК и полимеризации гумусовых структур), происходит исключительно за счет тонкодисперсных частиц, в отношении которых выявлены количественные изменения (рис.4.6). Вследствие перераспределения фракций ЭПЧ и изменения
количественных и качественных характеристик аккумулированного в них гумуса в обеих разностях мелиорированной почвы наблюдалось возрастание
роли илистой фракции и снижение долевого участия мелко- и среднепылеватых
Рис.4.6. Влияние осушительной мелиорации на свойства почвы, показатели направленности гумификации и оптическую плотность ГК почвы и фракций ЭПЧ.
частиц в балансе гумуса и ГК, что отчетливо диагностировано показателями С1-10/С<1 и Сгк1-10/Сгк<1. Проявление отмеченной закономерности свидетельствует об усилении признака фульватности гумуса и ухудшении качества ГК. Роль илистой фракции в балансе ГК возросла в большей мере за счет упрощенных форм ГК1 , в меньшей степени - за счет ГК2; в тоже время снижение роли пылеватых частиц происходит в значительной степени за счет гуматов и оптически плотных ГК1 (рис.4.6; 4.7). Изменение показателей оптической плотности разных фракций ГК мелиорированной почвы в сравнении с исходной является интегральным отражением характера профильного распределения показателей и их изменения в зависимости от размера фракций ЭПЧ (рис.4.6).
Рис.4.7. Роль фракций ЭПЧ в балансе ГК1 и ГК2 почвы повышенного участка до
мелиорации (а) и после мелиорации (б)
Рис.4.8. Влияние строительства магистрального трубопровода на химические
свойства и направленность гумификации в дерново-подзолистой почве: а -
исходная почва (контроль), 1985г.; б - контроль, 2000г.; в - трасса, 1 год;
гЦтрасса,15лет.
Таблица 4.5. Влияние техногенных факторов на запас гуминовых кислот и их
фракций.
| Фактор | Запас ГК в слое 0-40см, т/га | |||
ГК1 | ГК2 | ГК3 | сумма | |
Строительство Повышенные 23,4 16,1 14,5 54,0
осушительной участки 14,6 9,4 9,9 33,9
мелиоративной Микро- 8,6 6,1 5,8 20,5
системы понижения 5,4 4,1 5,0 14,5
Строительство магистрального 12,4 4,2 5,4 22,0
трубопровода 2,6 0,6 2,0 5,2
Примечание: над чертой - исходная почва;
под чертой - деградированная почва
Признаки деградации гумуса мелиорированной почвы в целом имели однотипный характер независимо от микрорельефа. Различия в глубине негативных изменений характеристик гумуса в почвах повышенных и пониженных участков обусловлены неодинаковой степенью разбавления верхней части профиля почвенной массой из иллювиальных горизонтов и исходной неоднородностью показателей.
4.5. Изменение гумусного состояния дерново-подзолистой почвы после строительства магистрального трубопровода
Преимущественное нарушение условий гумификации после прокладывания трассы магистрального трубопровода (МТ) на глубине около 2м и проявление механической деградации гумуса связаны с изменением состава минеральной части и гранулометрического состава почвы. Нарушение имеет более глубокий характер в сравнении с действием агротехногенного фактора вследствие перемешивания не только почвенных горизонтов, но и материнской, и подстилающей пород, неблагоприятные свойства которых в значительной степени определили свойства образовавшейся техногенной почвы. Через год после строительства МТ в верхней части техногенного профиля отмечены утяжеление механического состава за счет илистой фракции, снижение содержания частиц мелкой, средней и крупной пыли; повышение плотности; более глубокие негативные изменения характеристик ППК и бльшие масштабы потерь гумуса и ГК по сравнению с агротехногенно-нарушенной почвой [40; 43; 44]. По снижению запаса гумуса в 40-см слое техногенная почва охарактеризована как сильнодеградированная. Более 60% потерь гумуса приходится на пылеватые частицы, что связано с уменьшением их количества и снижением уровня гумусированности. Долевое участие фракций пыли в общем балансе гумуса в пределах 40-см слоя снизилось от 51 до 28 %, в то же время долевое участие ила возросло от 19 до 46 %. Интегральным отражением перераспределения роли фракций ЭПЧ в балансе гумуса и ухудшения его качества является 3,0-3,6- кратное снижение показателя С1-10/С<1 (рис.4.8). Ослабление признака гуматности гумуса и усиление фульватного характера проявились в снижении степени и глубины гумификации (с изменением уровня признаков и неблагоприятной сменой типа гумуса), усилении признака подзолистого типа фракционного распределения гуминовых кислот, возрастании степени агрессивности фульвокислот [40; 43; 44], ослаблении процессов новообразования ГК и полимеризации гумусовых структур (рис.4.8). Снижение запаса ГК из 40-см слоя составило 76 % к исходному уровню, что в 2-2,6 раза превысило относительные размеры потерь ГК в мелиорированной почве (табл.4.5). Большая часть потерь приходится на ГК1 (58 %), меньшая - на ГК2 (22 %) и ГК3 (20 %).
* *
*
Результаты многолетнего изучения состояния гумуса при неблагоприятных воздействиях дают основание характеризовать деградацию гумуса как ослабление процессов гумусообразования и гумификации, приводящее к негативным изменениям характеристик гумуса на разных уровнях его структурной организации. Главным и наиболее характерным признаком деградации гумуса, общим для всех видов неблагоприятных воздействий, является дегумификация. В широком значении понятие дегумификация рассматривается как ослабление процесса гумификации на разных стадиях формирования гуминовых кислот, приводящее к снижению содержания, изменению состава и упрощению структуры ГК. Степень выраженности деградационных изменений гумуса на разных иерархических уровнях, характер ответных реакций гумусовых кислот, направленность в изменении их свойств четко детерминированы природой факторов и спецификой нарушения условий гумификации. Химическая, физико-химическая и биохимическая деградация гумуса, фиксируемая при агрогенных воздействиях, связана с трансформацией ГК на уровне молекулярных структур; механическая деградация, фиксируемая при водно-эрозионных и техногенных воздействиях, обусловлена в основном количественным перераспределением фракций ЭПЧ, характеризующихся разнокачественным гумусом.
Глава 5. Способы оптимизации гумусного состояния деградиро-ванных дерново-подзолистых почв
Традиционным способом сравнительно быстрого восстановления гумусного состояния деградированных дерново-подзолистых почв является применение органических удобрений (ОУ), при необходимости в сочетании с известкованием. С этой целью нами использован торфонавозный компост (ТНК, при соотношении компонентов 1:1), содержащий гумифицированные и полугумифицированные вещества в оптимальном соотношении, щелочноземельные основания, азот (табл.5.1). Торф содержит больше ГК в сравнении с навозом, в то же время ГК навоза являются более ароматичными (рис.5.1).
Применение известково-органоминеральной системы удобрений при 4-летнем возделывании кукурузы способствовало сохранению, а по ряду показателей - улучшению свойств почвы по сравнению с исходным состоянием. Положительные изменения условий гумификации - увеличение количества гумусообразователей и обменных оснований, снижение
Таблица 5.1. Свойства и состав компонентов
торфонавозного компоста.
Показатели | Навоз | Торф |
1. рНсол | 6,5 | 6,8 |
2. Са, мг-экв/100г сухого вещества 3. Mg, то же | 8,3 10,2 | 59,8 7,4 |
4. Азот, % к сухому веществу 5. Органическое вещество, то же | 0,5 25,5 | 1,5 51,7 |
% к Сорг. 6. Водорастворимые вещества 7. Гумусовые кислоты 8. Гуминовые кислоты 9. Вещества, гидролизуемые 1н Н2SO4 10. Вещества, гидролизуемые 80%-ной Н2SO4 11. Негидролизуемый остаток | 3,9 47,1 17,1 7,8 11,5 29,7 | 1,8 67,7 44,5 4,0 5,3 21,2 |
12. Сгк : Сфк | 0,57 | 1,92 |
13. ВМК : СМК | 0,79- 1,11 | 1,88- 2,71 |
Рис.5.1. Гель-хроматограммы гуминовых кислот,
выделенных из торфа (а) и навоза (б)
кислотности - благоприятствовали накоплению гумуса и улучшению его качества [33; 34; 40; 44; 49]. Применение ОУ и извести сдерживало процессы дезагрегирования тонкодисперсных частиц, способствовало аккумуляции гумуса в мелко- и среднепылеватых частицах. На фоне сохраняющейся тенденции большего участия илистой фракции в балансе гумуса в варианте с ТНК зафиксировано возрастание роли пылеватых частиц и соответственно отношения С1-10/С<1 [56]. Позитивные изменения направленности процесса гумификации проявились в активизации обеих стадий - новообразования ГК и полимеризации гумусовых структур, что соответствует доминирующей роли ГК (56 %) и, главным образом, первой и второй фракций, в пополнении запаса гумуса в пределах 40-см слоя. По данным гель-хроматографии наиболее отзывчивыми на агромероприятия являются периферические лабильные структуры ГК (рис.5.2). Отчетливо выраженное в пахотном слое возрастание относительной доли ВМК в составе ГК может быть связано как с активизацией микробиологической деятельности, так и с привнесением высокомолекулярных структур с ОУ. Среди фракций ГК оптимальным сочетанием лабильной (периферической) и стабильной (ядерной) структур характеризуются ГК1 и ГК2, что обусловливает их доминирующую роль в обеспечении ценных качеств гумуса. Во всех фракциях ГК независимо от варианта опыта с глубиной уменьшается количество ВМК и возрастает относительная доля СМК, что связано с естественной трансформацией органических веществ в профиле почвы и снижением интенсивности биохимических процессов [44]. Положительные изменения практически всех параметров плодородия в варианте с известково-органоминеральной системой коррелируют с максимальной продуктивностью агроценоза кукурузы (рис.5.3). В ряду агроценозов кукурузы с разным уровнем продуктивности выявлена тесная положительная корреляционная взаимосвязь урожая зеленой массы кукурузы с
ГК1
0-20см 20-40см 40-60см
ГК2
0-20см 20-40см 40-60см
а- ; б -
Рис.5.2. Гель-хроматограммы ГК после 4-летней культуры кукурузы [32, 44].
а - контроль без агрохимических средств;
б - ТНК, 45т/га, N70P40K115, известь по 1 г.к.
Рис.5.3. Урожай зеленой массы кукурузы (ц/га) в зависимости от системы удобрений:
А - контроль без удобрений и извести; Б - минеральная система без извести;
В - органоминеральная система + известь
содержанием гумуса, рНсол, суммой обменных оснований, суммарным содержанием ГК, отношением С1-10/С<1; среди фракций ГК наибольшим положительным влиянием на урожай кукурузы характеризуются ГК1 и ГК2; взаимосвязь с фракцией ФК1а и суммарным содержанием ФК - отрицательная [32].
В опыте с экстремальной дозой симазина (50кг/га) в залежной дерново-подзолистой почве через 21 месяц после внесения ТНК (60 т/га) наблюдалось восстановление каталазной активности, процесса новообразования ГК, показателей состава гумуса (рис.5.4), что связано с активизацией микробиологической деятельности, а также наличием гумусовых веществ в составе ТНК; содержание негидролизуемого остатка может возрастать за счет полугумифицированных соединений - лигнина и целлюлозы. Остаточное токсическое последействие симазина прослеживалось в отношении интенсивности дыхания (в связи с сохраняющимся фитотоксическим эффектом) и процесса полимеризации гумусовых структур. Методом гель-хроматографии установлено, что восстановление содержания подвижных ГК происходит за счет компонентов с разной молекулярной массой, в большей мере - за счет ВМК (рис.5.4). Направленность многолетней динамики свойств почвы в вариантах с симазином без применения ТНК и с его применением позволяет говорить об обратимости почвенных процессов, нарушенных гербицидом [14; 17; 18; 22; 24; 25].
а - симазин, 50 кг/га а - контроль
б - симазин, 50 кг/га + ТНК, 60 т/га б - симазин, 50 кг/га
в - симазин, 50 кг/га + ТНК,60 т/га
Рис. 5.4. Влияние ТНК на свойства почвы, обработанной симазином, и ММ-распределение
подвижных ГК.
Применение комплекса агромероприятий (внесение органических и минеральных удобрений, известкование, возделывание многолетних трав) позволило достаточно быстро - в период от 2 до 5 лет - восстановить химические свойства (рис.5.5) и характеристики гумуса агротехногеннонарушенной почвы в пределах каждого из исследованных элементов рельефа [35;40;43;44]. Быстрое восстановление прослежено в отношении процесса новообразования ГК, замедленное - в отношении полимеризации гумусовых структур (рис.5.6). Восстановление количества ГК в целом обеспечивалось преимущественно (на 75-83% ) за счет ГК1 и ГК2 при заметном обогащении их высокомолекулярными структурами, о чем
Рис.5.5. Химические свойства почвы повышенного участка (а) и микропонижения (б) до
мелиорации (1987г.) и после мелиорации (1988 - 1993гг.).
свидетельствует снижение Е-величин (рис.5.6). Несмотря на сглаживание различий в свойствах поверхностно-оглеенных почв и их автоморфных аналогов, существенное влияние микрорельефа на характеристики гумуса прослеживалось до конца периода наблюдений. От 64 до 98 % изменчивости содержания гумуса, 76-86 % варьирования количества ГК и 55-60 % варьирования Сгк/Сфк в пределах 40-см слоя обусловлены влиянием микрорельефа и только 2-33 %, 10-18 % и 30-35 % - влиянием агроприемов. Через 6 лет после мелиорации почвы микропонижений оставались
Рис.5.6. Показатели направленности гумификации и Е-величины ГК почвы повышенного
участка (а) и микропонижения (б) до мелиорации (1987г.) и после мелиорации
(1988-1993гг.).
сильнодеградированными, как и до мелиорации; сохранялись морфологические признаки оглеения, более низкие показатели степени и глубины гумификации,
интенсивности новообразования ГК и их усложнения (рис.5.6), более низкий уровень биопродуктивности (рис.5.7). Это свидетельствует о недостаточной эффективности проведенных мелиоративных работ и необратимости деградационных изменений свойств гумуса в сохраняющихся условиях избыточного увлажнения и оглеения.
Рис.5.7. Урожай зеленой массы травосмеси Рис.5.9. Урожай зеленой массы травосмеси
до (1987г) и после (1990-1992гг) проведения после строительства трубопровода
осушительной мелиорации А - участки, не нарушенные строительством
А - повышенные участки Б - трасса. 1987, 1988, 1989 - выпад
Б - микропонижения с.-х. культур
Таблица 5.2 Последействие строительства МТ на Е-величины ГК | |||
Глубина, см | Е-величины | ||
ГК1 | ГК2 | ГК3 | |
Контроль, 2000г. | |||
0-20 | 0,068 | 0,071 | 0,041 |
20-40 | 0,071 | 0,090 | 0,045 |
Трасса, 15 лет (2000г.) | |||
0-20 | 0,052 | 0,076 | 0,048 |
20-40 | 0,030 | - | 0,020 |
Рис. 5.8. Изменение содержания гуматов после строительства
МТ: а - участки, не нарушенные строительством
б - трасса
Мероприятия по рекультивации техногенной почвы, образовавшейся после строительства магистрального трубопровода (МТ) - выравнивание поверхности поля после засыпки траншеи, возвращение на исходное место гумусированного слоя, внесение органических и минеральных удобрений, известкование, посев однолетних и многолетних трав - способствовали улучшению свойств верхнего техногенного слоя с характерным контрастным режимом увлажнения. Через 15 лет после строительства зафиксированы признаки формирования гумусово-аккумулятивного горизонта светло-серого цвета, отмечены возрастание уровня его гумусированности, позитивные изменения характеристик ППК, улучшение качества гумуса [43;44]. Восстановлению полноценного почвенного профиля препятствовало образование вдоль трассы вымочек шириной до 5-12м и развитие поверхностного оглеения, что явилось следствием оседания насыпной толщи и крайне низкой водопроницаемости слагающего её материала. В местах образования вымочек техногенная почва приобрела черты поверхностно-оглеенной с характерными морфологическими признаками, очень низкой активностью биохимических процессов на стадии полимеризации гумусовых структур в верхнем слое и практически полным ингибированием этого процесса в нижележащих слоях: гуматы обнаружены только в верхнем 20-см слое в количестве 12-13 % от суммы ГК и отсутствовали в нижних слоях (рис.5.8), где вторая фракция гумусовых кислот представлена исключительно фульватами. Своеобразная направленность процесса гумификации в техногенной почве прослежена также по характеру профильного изменения Е-величин ГК (табл.5.2). До конца периода наблюдений во всех техногенных слоях сохранялась более высокая степень агрессивности ФК по сравнению с ненарушенными участками [44]. Чрезвычайно низкий уровень биопродуктивности техногенной почвы (рис.5.9), неблагоприятная направленность изменений морфологических, физико-химических, биохимических свойств нижних слоев вследствие развития вторичных деградационных процессов, сохранение сильной степени деградации (по запасу гумуса и ГК в 40-см слое) не дают оснований говорить об обратимости деградационных изменений, по крайней мере, на данном этапе.
Приведенные результаты позволяют заключить, что деградационные изменения гумуса, зафиксированные на уровне слабой и средней степени, являются обратимыми. Свойства гумуса, нарушенные в сильной степени (в условиях продолжительного избыточного увлажнения, а также при техногенных воздействиях, осложненных проявлением вторичных деградационных процессов и развитием поверхностного оглеения) не поддаются направленному регулированию с помощью агроприемов. Характерными признаками необратимости деградационных изменений гумуса являются ярко выраженная фульватная направленность процессов превращения органических веществ (2-4-кратное снижение показателя С1-10/С<1), глубокое ингибирование процесса гумификации на стадии полимеризации гумусовых структур (50-80%), 2-4-кратное снижение запаса ГК в 40-см слое.
Глава 6. Диагностические показатели гумусного состояния деградированных дерново-подзолистых почв и оценка их информативности
Для всесторонней оценки особенностей трансформации гумусовых веществ при действии факторов агрогенного, природно-агрогенного и техногенного происхождения использован комплекс показателей, отражающих общие и специфические признаки деградации гумуса в зависимости от характера и интенсивности воздействий (табл.6.1; 6.2). Оценка деградационных изменений
Показатели | Слой, см; горизонт | Оптимальные значения | Направлен-ность изменений | Отклонение показателей от исходного уровня, % | ||||
Степень деградации | ||||||||
нулевая | слабая | средняя | сильная | |||||
| Химическая, физико-химическая, биохимическая деградация | ||||||||
Запас гумуса | 0-40 | 130-180т/га | Отрицат. | 5-10 | 10-15 | 20-25 | 40-45 | |
Запас ГК | 0-40 | 20-30т/га | То же | 15-20 | 25-30 | 50-60 | ||
Сгк/Сфк | Ар Е | 0,8-1,1 0,6-0,8 | То же | 10-20 20-25 | 25-35 - | 25-40 45-50 | ||
С1-10/С<1 | Ар Е | 1,9-2,3 1,7-1,9 | То же | 25-30 35-40 | - - | 35-40 60-65 | ||
Сгк1/Сфк1 | Ар Е | 1,0-1,5 0,8-1,0 | То же | 5-10 20-25 | - - | 35-40 - | 30-35 40-45 | |
Сгк2/Сфк2 | Ар Е | 0,6-0,8 0,4-0,7 | То же | 25-30 20-30 | 25-35 - | 20-50 45-65 | ||
ВМК/СМКгк2 | Ар | 1,2-1,6 | То же | 5-15 | 15-20 | - | ||
Е-велич. гк2 | Ар | 0,06-0,08 | Разнонапр. | -(10-20) | +(35-40) | - | ||
ФК1а (отн.) | Ар Е | 6-8 8-10 | Положит. То же | 20-40 30-40 | 10-20 - | 10-50 20-50 | ||
| Механическая деградация | ||||||||
Запас гумуса | 0-40 | 130-180т/га | Отрицат. | - | 10-20 | 25-30 | 55-65 | |
Запас ГК | 0-40 | 20-30т/га | То же | - | 30-40 | 35-40 | 75-80 | |
Сгк/Сфк | 0-20 20-40 | 0,8-1,1 0,6-0,8 | То же | - - | 15-40 5-40 | 5-15 20-30 | 55-60 30-40 | |
С1-10/С<1 | 0-20 20-40 | 1,9-2,3 1,7-1,9 | То же | - - | 40-50 40-60 | 30-40 50-60 | 70-75 65-70 | |
Сгк1-10/Сгк<1 | Ар | 3,0-5,0 | То же | - | 40-60 | 30-40 | - | |
Сгк1/Сфк1 | 0-20 20-40 | 1,0-1,5 0,8-1,0 | То же | - - | 20-40 30-45 | 30-40 50-60 | 45-55 50-55 | |
Сгк2/Сфк2 | 0-20 20-40 | 0,6-0,8 0,4-0,7 | То же | - - | 50-60 35-40 | - - | 75-80 65-70 | |
Е-велич. гк2 | 0-20 20-40 | 0,06-0,08 0,07-0,08 | Разнонапр. То же | - - | +(15-20) +(10-15) | -(30-50) -(45-55) | - - | |
ФК 1а (отн.) | 0-20 20-40 | 6-8 8-10 | Положит. То же | - - | 30-80 30-35 | 75-80 50-60 | 35-45 60-70 | |
Таблица 6.1. Диагностические показатели состояния гумуса деградированных дерново-
подзолистых почв.
проведена по отклонению показателей от исходного уровня, характерного для оптимальных условий (т.е. по ослаблению или усилению определенных признаков). Общим признаком деградации гумуса при всех видах неблагоприятных воздействий является дегумификация, или ослабление процесса гумификации на разных стадиях формирования гуминовых кислот, приводящее к изменению состава, упрощению структуры, снижению содержания ГК, в конечном итоге - к ухудшению качества и потере определенного количества гумуса. На гуминовые кислоты приходится от 40 до 60 % общих потерь гумуса, в основном за счет ГК1 и ГК2, рефлекторных к изменению условий их формирования. Ингибирование процесса гумификации в большинстве случаев прослежено на обеих стадиях - новообразования ГК и полимеризации гумусовых структур (или формирования гуматов), для характеристики которых применены показатели Сгк1/Сфк1 и Сгк2/Сфк2. ФК (кроме фракции 1а) рассматриваются как предшественники ГК или как продукты их деструкции. Применение отношения Сгк2/Сфк2 для оценки
Таблица 6.2. Признаки антропогенной деградации гумуса дерново-подзолистой почвы в
зависимости от характера землепользования
| Характер землепользования | Преимущественное нарушение условий гумификации | Признаки проявления деградации |
Агрогенная химическая, физико-химическая и биохимическая деградация | ||
Многолетнее использование почвы без извести и удобрений | Дефицит гумусо-образователей, декальцинация | Подкисление, уменьшение Sобм., усиление признаков подзолистости, снижение интенсивности новообразования ГК и полимеризации гумусовых структур, деструкция гуматов, возрастание подвижности ГК, усиление признака фульватности гумуса, смена типа гумуса в гор.Е (ГФФ), потеря запаса ГК при незначительном снижении содержания гумуса. |
Длительное применение минеральных удобрений без извести | Негативные изменения характеристик ППК | Подкисление, уменьшение Sобм., усиление признаков подзолистости, ослабление процесса полимеризации ГК, деструкция гуматов, возрастание подвижности ГК, усиление признака фульватности гумуса, смена типа гумуса в гор.Е (ГФФ), потеря запаса ГК при незначительном снижении содержания гумуса. |
Агрогенная биологическая и биохимическая деградация | ||
Обработка почв гербицидами | Дефицит гумусо-образователей, сни-жение биологиче-ской активности | Снижение биологической активности, ослабление процессов новообразования и полимеризации ГК, деструкция ВМК ГК, смена типа гумуса (ГФФ), снижение подвижности ГК, потеря гумуса и ГК |
Природно-агрогенная химическая, физико-химическая и биохимическая деградация | ||
Пашня в условиях избыточного поверхностного увлажнения | Негативные измене-ния гидрологичес-кого и ОВ режимов, кислотно-щелочно-го равновесия, сос-тава микроорганиз-мов | Подкисление, трансформация тонкодисперсных частиц с ослаблением процессов новообразования и полимеризации ГК, деструкция ГК1 и упрощение структуры ГК2; смена типа гумуса: в почве ГФФ, ФОФ, во фракциях ЭПЧ ГФГ, ФГГФ, ФОФ; возрастание роли ила и снижение роли пылеватых частиц в балансе гумуса и ГК, снижение подвижности ГК, потеря гумуса и ГК |
Природно-агрогенная механическая деградация | ||
Использование склонов под пашню в усло- виях действия водно-эрозионного фактора | Изменение гранулометри-ческого состава, состава обменных катионов. | Подкисление, нарушение профиля и характера профильного рас-пределения обменных оснований, уменьшение доли Са в их соста-ве, усиление признака подзолистости, возрастание роли ила и снижение роли пылеватых частиц в балансе гумуса и ГК, снижение интенсивности новообразования ГК (за счет пылеватых частиц), упрощение структуры ГК1 и ГК2 (<1, 1-5), потеря гумуса и ГК |
Агротехногенная механическая деградация | ||
Строительство осушительной мелиоративной системы | Изменение грануло- метрического соста-ва почвы вследствие смешивания горизонтов | Нарушение профиля, ухудшение химических свойств, снижение показателей интенсивности новообразования и полимеризации ГК (за счет тонкодисперсных частиц), смена типа гумуса: в почве ГГФ, ГФФ; во фракциях ЭПЧ ГФГ, ФГГФ, ГФФ; возрастание роли ила и снижение роли пыли в балансе гумуса и ГК, упрощение структуры ГК1 мелкой. и ср. пыли, потеря гумуса и ГК |
Техногенная механическая деградация | ||
Строительство магистрального трубопровода | Изменение грануло- метрического соста-ва почвы вследствие перемешивания го-ризонтов, материн-ской и подстила-ющей пород. | Нарушение стратиграфии почвенного профиля, ухудшение химических свойств, усиление признаков подзолистости, снижение показателей интенсивности новообразования и полимеризации ГК, снижение высокой (средней) степени гумификации до слабой, смена типа гумуса (ГФФ, ФОФ), возрастание роли ила и снижение роли пыли в балансе гумуса, потеря гумуса и ГК |
интенсивности процесса полимеризации и усложнения гумусовых структур основано на закономерном изменении показателя в зонально-генетическом ряду почв и максимальном значении в типичном черноземе, характеризующемся наиболее высокой интенсивностью этого процесса. Целесообразность применения показателя Сгк1/Сфк1 для условной оценки интенсивности новообразования ГК, по крайней мере, в дерново-подзолистых почвах, обоснована закономерным изменением показателя в ряду дерново-подзолистых почв разной степени окультуренности. Снижение интенсивности новообразования ГК прослежено при действии всех факторов деградации кроме 4-летнего применения NPK, где отмечена активизация первой стадии и в то же время замедление второй стадии гумификации по сравнению с исходной почвой. Снижение интенсивности формирования гуматов наблюдали во всех случаях, кроме смытых почв, где отмечен специфичный характер изменения состава второй фракции гумусовых кислот [44; 45]. Дегумификация во всех случаях сопряжена с возрастанием степени агрессивности ФК и усилением фульватного характера гумуса, диагностируемым показателем С1-10/С<1. При агрогенных и природно-агрогенных воздействиях и проявлении химической, физико-химической и биохимической деградации гумуса величины отрицательных отклонений от исходного уровня запаса ГК в 40-см слое, степени и глубины гумификации, интенсивности новообразования ГК и полимеризации гумусовых структур, количественного соотношения гумуса пылеватых и илистых частиц (С1-10/С<1) в целом соответствовали степени деградации гумуса, характеризуемой по масштабам его потерь в 40-см слое. При водно-эрозионных и техногенных воздействиях и проявлении механической деградации гумуса прослежен более высокий уровень отклонений большинства показателей и не всегда выраженное соответствие степени деградации (табл.6.1).
Изменение всех перечисленных выше показателей позволяет надежно охарактеризовать признаки деградации гумуса на уровне средней и сильной степени, изменение показателей С1-10/С<1 и Сгк2/Сфк2 существенно на всех уровнях деградации. В то же время отклонения от исходных значений показателей общего содержания и группового состава гумуса (ГСГ) в слабодеградированных почвах, как правило, незначительны. Бльшая информативность выявлена для показателей фракционного состава гумуса (ФСГ). Изменения в содержании и количественном соотношении отдельных фракций гумусовых кислот, адекватно отражающие специфику нарушения условий гумификации, могут рассматриваться как ранние симптомы негативных изменений качественных характеристик гумуса даже на уровне нулевой и слабой степени деградации [44].
Изменения количественных и качественных характеристик гумуса на уровне исходной почвы, групп и фракций гумусовых кислот не позволяют, однако, объяснить механизм трансформации гумусовых кислот при действии разных факторов. Негативные изменения таких условий гумификации, как количество и состав поступающих в почву органических остатков, биологическая активность, структура и видовое разнообразие микробоценозов, характеристики ППК, водно-воздушный и окислительно-восстановительный режимы, фиксируемые при агрогенных и некоторых видах природно-агрогенных воздействий, приводят к развитию химической, физико-химической и биохимической деградации гумуса с характерными признаками деструкции молекулярных структур ГК (табл.6.2). Специфика деградационной трансформации молекулярных структур ГК в разных экологических условиях охарактеризована показателями оптических свойств, молекулярно-массового распределения, соотношения высоко- и среднемолекулярных компонентов. Неоднозначный характер в изменении показателей в зависимости от специфики нарушения условий гумификации свидетельствует о различии в механизме деструкции молекулярных структур ГК. Различия в характере и степени деструктивных изменений и относительной доле отдельных фракций ГК в структуре общих потерь определяют направленность изменений качественных характеристик и подвижности группы ГК. При выраженной деструкции ГК1 и ингибировании процесса новообразования ГК (более 30 %) формируется инертная, малоподвижная система ГК. Деструкция гуматов, как следствие выраженной декальцинации, и доминирование их в структуре потерь ГК приводит к повышению подвижности группы ГК. Согласно информации, полученной при изучении состава и свойств гумусовых кислот во фракциях ЭПЧ, деструктивные процессы, характеризуемые по снижению интенсивности новообразования и усложнения гумусовых структур и изменению Е-величин ГК, локализованы преимущественно в наиболее подверженных трансформации тонкодисперсных частицах .
Механическая деградация, фиксируемая при действии водно-эрозионного, агротехногенного и техногенного факторов, обусловлена преимущественно изменением состава и соотношения гранулометрических фракций вследствие разбавления верхней части профиля материалом из нижележащих горизонтов и почвообразующих пород (при водно-эрозионных процессах также вследствие вымывания из гумусово-аккумулятивного горизонта тонкодисперсных частиц). Признаки механической деградации гумуса диагностируются на профильном уровне (по изменению морфологии гумусового профиля) и комплексом показателей, приведенных в табл.6.1. Наиболее существенные отклонения от исходных значений на разных уровнях деградации отмечены для показателей запаса ГК в 40-см слое, С1-10/С<1, Сгк1-10/Сгк<1, Сгк1/Сфк1, Сгк2/Сфк2 (кроме смытых почв), содержания ФК1а. Специфичность признаков механической деградации гумуса в каждом конкретном случае диагностируется показателями оптических свойств ГК, являющихся интегральным отражением особенностей распределения показателей в профиле почвы и по фракциям ЭПЧ. Негативные изменения характеристик гумуса и направленности гумификации ассоциируются, как правило, с вариабельными в количественном отношении фракциями ЭПЧ, что подтверждает механическую природу деградации и подчеркивает значимость показателей гранулометрического состава при оценке признаков механической деградации гумуса.
Комплекс общих и специфических признаков антропогенной деградации гумуса использовали для дифференцированного выбора способов оптимизации гумусного состояния деградированных почв. Позитивная направленность в изменении условий гумификации, интенсивности процессов новообразования ГК и полимеризации гумусовых структур, качественных и количественных характеристик гумуса и гумусовых кислот под влиянием комплекса агромероприятий позволяет говорить об обратимости деградации гумуса агрогенно- и агротехногеннонарушенных почв на уровне слабой и или средней степени деградации. Свойства гумуса, нарушенные в сильной степени (в поверхностно-оглеенных почвах при продолжительном избыточном увлажнении; при техногенных воздействиях, осложненных проявлением вторичных деградационных процессов и развитием поверхностного оглеения) не поддаются восстановлению с помощью агромероприятий. Характерными признаками необратимости деградации являются доминирование фульватной направленности процессов превращения органических веществ, 2-3-кратное снижение запаса ГК в 40-см слое, глубокое ингибировангие процесса гумификации на стадии конденсации гумусовых структур (50-80%).
Восстановление запасов ГК, как и их снижение, происходило преимущественно за счет ГК1 и ГК2 и в большей мере их лабильных высокомолекулярных структур, что диагностировано показателями ММ-распределения ГК и оптических свойств.
Негативные и позитивные изменения свойств гумуса коррелировали с уровнем биопродуктивности почв. Доминирующая роль ГК1 и ГК2 в обменных биохимических процессах подтверждена их положительной корреляционной связью (от средней до сильной) с урожаями кукурузы и травосмеси. За счет этих фракций обеспечивается сильная корреляционная связь показателей биопродуктивности с общим уровнем гумусированности и суммарным содержанием ГК. Во всех случаях прослежена сильная положительная корреляционная связь урожая культур с показателем С1-10/С<1, что с учетом высокой информативности на разных уровнях деградации позволяет рассматривать показатель в качестве универсального критерия при оценке признаков антропогенной деградации и реградации гумуса и уровня плодородия в целом.
Заключение и основные выводы
На основании результатов многолетнего исследования предложен системный подход к изучению признаков антропогенной деградации гумуса на разных уровнях его структурной организации, разработан комплекс показателей, позволяющих оценить характер и степень выраженности признаков в зависимости от природы факторов, характера антропогенной нагрузки, вида деградации, специфики нарушения условий гумификации. Комплекс разработан на дерново-подзолистых среднесуглинистых почвах подзоны южной тайги, сформированных на покровных суглинках, подстилаемых мореной, и может быть применен для изучения признаков деградации гумуса более широкого ряда почв Нечерноземной зоны (при идентичности механического состава и почвообразующих пород). Основные результаты отражены в следующих выводах.
1. Устойчивость (или предрасположенность) гумуса к деградации при неблагоприятных воздействиях является отражением природных условий гумусообразования, определяющих параметры гумусовой системы и характер ответных реакций её компонентов. Главную роль в обеспечении устойчивости гумуса и в диагностике признаков его деградации выполняют гуминовые кислоты, что обусловлено особенностями их структуры, разнообразием форм и специфичностью свойств органоминеральных производных, рефлекторностью к смене экологической ситуации. Повышение экологической устойчивости гумуса связано с накоплением гуминовых кислот и возрастанием в их составе относительной доли устойчивых к биодеградации гуматов, ароматических конденсированных структур, гуминового азота, в том числе азота неокисляемых гетероциклов на фоне снижения содержания азота периферических структур. По всем параметрам гумус подзолистого типа уступает гумусу черноземного и пустынно-степного типов образования, что определяет повышенную сенсорность дерново-подзолистых почв к неблагоприятным воздействиям.
2. Признаки деградации гумуса в дерново-подзолистых почвах и их механических частицах зафиксированы при действии ряда факторов агрогенного, природно-агрогенного и техногенного происхождения на разных уровнях структурной организации: общей совокупности органических веществ, групп гумусовых веществ, фракций гумусовых кислот, молекулярных структур гуминовых кислот. Степень выраженности общих и специфических признаков деградации, определялась природой факторов, конкретной формой их проявления, видом деградации, спецификой нарушения условий гумификации.
3. Общим признаком деградации гумуса независимо от природы изученных факторов и вида деградации является дегумификация, которая рассматривается как ослабление процесса гумификации на разных стадиях формирования гуминовых кислот, приводящее к изменению фракционного состава ГК, снижению их содержания, упрощению структуры и, как следствие, к ухудшению качества и потере определенного количества гумуса.
4. В общей структуре потерь гумуса на долю гуминовых кислот приходится от 40 до 60%. Снижение запасов ГК, как и их восстановление, в основной массе (70-90%) происходит за счет фракций ГК1 и ГК2, преимущественно их высокомолекулярных структур, наиболее чувствительных к неблагоприятным воздействиям и наиболее отзывчивых на агромероприятия. Обоснованы приоритетность изучения фракций ГК1 и ГК2 для характеристики агрономических и экологических качеств гумуса и их изменения в условиях антропогенной нагрузки, также целесообразность применения показателей количественного соотношения фракций с соответствующими фракциями ФК при оценке интенсивности процессов новообразования ГК и полимеризации гумусовых структур.
5. Гранулометрические фракции существенно различаются по значимости в процессах гумификации и детерминировании характеристик гумуса и гумусовых кислот. Главную роль в процессах новообразования ГК и формирования гуматов, соответственно, аккумуляции гумуса гуматного типа и наиболее зрелых, оптически плотных ГК выполняют мелко- и средне пылеватые частицы; отчетливо выраженный фульватный состав гумуса и сосредоточение основной массы незрелых слабоконденсированных форм ГК характерны для илистых частиц. Зафиксированное в деградированных почвах снижение показателей С1-10/С<1 и Сгк1-10/Сгк<1 свидетельствует о негативной направленности в изменении соотношения признаков гуматности - фульватности гумуса и упрощении структуры ГК.
6. Химическая, физико-химическая и биохимическая деградация гумуса как следствие дефицита гумусообразователей, декальцинации, подкисления и других негативных изменений факторов гумификации при агрогенных и природно-агрогенных воздействиях обусловлена деструкцией молекулярных структур ГК; характер деструктивных изменений определяется спецификой нарушения условий гумификации; деструктивные процессы ГК локализованы в наиболее подверженных трансформации тонкодисперсных частицах.
7. Механическая деградация гумуса как следствие изменения гранулометрического состава почвы при водно-эрозионных и техногенных воздействиях обусловлена количественным перераспределением фракций ЭПЧ с возрастанием роли ила и снижением роли пылеватых частиц в балансе гумуса и гумусовых кислот. Специфика направленности изменений качественных характеристик ГК диагностирована показателями оптических свойств, являющихся интегральным отражением особенностей их распределения в профиле почвы и по фракциям ЭПЧ.
8. Различия в характере и степени деструктивных изменений ГК и относительной доле отдельных фракций в структуре потерь ГК детерминируют направленность в изменении подвижности группы. В условиях выраженной деструкции и (или) ингибирования процесса новообразования ГК при агрогенных воздействиях и преимущественных потерь подвижных соединений при водно-эрозионных воздействиях формируется инертная мало подвижная система; деструкция гуматов как следствие декальцинации и доминирование их в структуре потерь ГК приводит к повышению подвижности группы. При техногенных воздействиях однозначной четко выраженной закономерности в изменении подвижности группы ГК не выявлено.
9. Разработан комплекс показателей для диагностики признаков химической, физико-химической, биохимической и механической деградации гумуса. Обоснована перспективность его применения для ранней диагностики признаков и прогнозирования тенденции их развития; для характеристики степени выраженности признаков на разных уровнях деградации; для оценки реградационных изменений характеристик гумуса под влиянием агромероприятий. Одним из наиболее информативных является показатель количественного соотношения гумуса пылеватых и илистых частиц (С1-10/С<1), позволяющий надежно диагностировать деградационные изменения на всех уровнях независимо от природы факторов и механизма деградации. Во всех случаях отмечена наиболее устойчивая сильная положительная связь показателя с уровнем биопродуктивности почв. Достаточно информативным в большинстве случаев (кроме смытых почв) является показатель интенсивности полимеризации гумусовых структур (Сгк2/Сфк2).
10. Изменения показателей гумусного состояния, зафиксированные на уровне слабой и средней степени деградации, являются обратимыми: применение системы агромероприятий способствовало восстановлению утраченных качеств гумуса. Свойства гумуса, нарушенные в сильной степени (в условиях продолжительного избыточного увлажнения, при техногенных воздействиях, осложненных проявлением вторичных деградационных процессов и развитием поверхностного оглеения) не поддаются восстановлению с помощью агромероприятий. Характерными признаками необратимости деградации являются доминирование фульватной направленности процессов превращения органических веществ (2-4-кратное снижение показателя С1-10/С<1), глубокое ингибирование процесса гумификации на стадии полимеризации гумусовых структур (50-80%), 2-4-кратное снижение запаса ГК в 40-см слое.
Основные работы, опубликованные по теме диссертации
1. Орлов Д.С., Денисова (Овчинникова) М.Ф. Об ароматической природе ядра гуминовых
кислот из чернозема и дерново-подзолистой почвы // Научные доклады Высшей школы,
сер. Биологические науки, 1962. №3. С.184-188.
2. Овчинникова М.Ф., Орлов Д.С. Распределение азота по фракциям органических веществ
почвы // Вестник МГУ. Сер. Почвоведение. 1964. №3. С.11-20.
3. Зырин Н.Г., Овчинникова М.Ф., Орлов Д.С. Аминокислотный состав гуминовых кислот и
фульвокислот некоторых типов почв // Агрохимия. 1964. №4. с.108-120.
4. Овчинникова М.Ф. Формы органических соединений азота в некоторых фракциях
почвенного гумуса // Вестник МГУ. Сер. Почвоведение. 1965. №4. С.75-85.
5. Овчинникова М.Ф. Органические соединения азота в гумусовых веществах почв //
Автореф. диссЕ. канд. биол. наук. М.: МГУ. 1965. 24с.
6. Орлов Д.С., Овчинникова М.Ф. Различные формы соединений азота в сероземе, черноземе
и дерново-подзолистой почве // Агрохимия. 1966. №1. С.35-44.
7. Яковлев А.П., Овчинникова М.Ф. Некоторые биохимические особенности гетерозисных
с.-х. культур // С.- х. биология. 1968. Т.3. №5. С.676-679.
8. Овчинникова М.Ф. Динамика некоторых свойств дерново-подзолистой почвы в связи с
применением симазина и прометрина // Агрохимия. 1976. №11. С.108-115.
9. Овчинникова М.Ф., Орлов Д.С., Ерёмина Г.В. Влияние триазинов на некоторые свойства
целинной и окультуренной дерново-подзолистой почв // Агрохимия. 1978. №1. С.128-138.
10.Овчинникова М.Ф., Орлов Д.С. К методике определения каталитического потенциала
почвы // Агрохимия. 1978. №3. С.137-159.
11.Овчинникова М.Ф., Ерёмина Г.В., Орлов Д.С. Особенности группового состава гумуса и
сезонной динамики некоторых свойств целинной и окультуренной дерново-подзолистых
почв // Вестник МГУ. Сер. Почвоведение. 1978. №3. С.38-46.
12.Овчинникова М.Ф., Орлов Д.С. Особенности гумификации и динамики некоторых
свойств дерново-подзолистой почвы в связи с применением гербицидов // Вестник МГУ.
Сер. Почвоведение. 1980. №1. С.38-45.
13.Овчинникова М.Ф., Орлов Д.С. Изменение биологической активности и некоторых
других свойств дерново-подзолистой почвы в связи с применением триазиновых
гербицидов // Агрохимия. 1980. №1. С.109-118.
14.Овчинникова М.Ф. Действие и последействие симазина на процесс гумификации и
антитоксидную способность дерново-подзолистых почв//Агрохимия. 1982. №5. С.101-107.
15.Овчинникова М.Ф. Изменение каталазной активности дерново-подзолистых почв под
влиянием симазина. // Химия в сельском хозяйстве. 1982. №9. С.56-59.
16.Ovchinnikova Maria F. Peculiarities of seasonal changes and group composition of humus as
affected by chemical and mechanical clearing of weeds // Transactions of the VIIIth international
symposium УHumus et PlantaФ. Prague-CSSR. 1983. P.167-169.
17.Овчинникова М.Ф. Изменение биологической активности дерново-подзолистой почвы
под влиянием химической и ручной прополки // Агрохимия. 1984. №5. С.58-62.
18.Овчинникова М.Ф., Аммосова Я.М. Влияние органических удобрений на содержание,
состав и свойства гумусовых веществ дерново-подзолистой почвы, обработанной
симазином // Агрохимия. 1984. №11. С.94-98.
19.Раскин М.Н., Виленчук С.Ф., Овчинникова М.Ф., Орлов Д.С. Сравнительные
характеристики фульвокислот и продуктов окисления гидролизного лигнина азотной
кислотой и их действие на растения // Известия высших учебных заведений УЛесной
журнаФ. 1984. №4. С.92-98.
20.Гомонова Н.Ф., Овчинникова М.Ф. Влияние длительного применения минеральных
удобрений и известкования на химические свойства, групповой и фракционный состав
гумуса дерново-подзолистой почвы // Агрохимия. 1986. №1. С.85-90.
21.Овчинникова М.Ф., Орлов Д.С. Гумусное состояние целинных и окультуренных почв
учебно-научной станции УЧашниковоФ // Вестник МГУ. Сер. Почвоведение. 1986. №1.
С.11-21.
22.Овчинникова М.Ф. Охрана почв в связи с их химической обработкой // Пути повышения
эффективности удобрений и плодородия почв в Нечерноземной зоне. М.: МГУ. 1986.
С.122-129.
23.Овчинникова М.Ф. Взаимодействие гербицидов с почвами // Агрохимия. 1987. №5. С.
118-139.
24.Овчинникова М.Ф. Химия гербицидов в почве. Учебное пособие. М.: МГУ. 1987. 109 с.
25.Орлов Д.С., Овчинникова М.Ф., Аммосова Я.М. Изменение гумусного состояния дерново-
подзолистых почв под влиянием различных факторов // Сб. УКомплексная химическая
характеристика почв НечерноземьяФ. Ред. Орлов Д.С. М.: МГУ. 1987. С. 43-58.
26.Овчинникова М.Ф. Гумусное состояние и биопродуктивность дерново-подзолистых почв
различной степени окультуренности // Тезисы докл. IХ Международного симпозиума
УГумус и растенияФ. Прага. 1988. С.111.
27.Минеев В.Г., Гомонова Н.Ф., Овчинникова М.Ф. Улучшение гумусного состояния
дерново-подзолистых почв после длительного применения минеральных удобрений //
Доклады ВАСХНИЛ. 1988. №11. С.9-12.
28.Овчинникова М.Ф. Гумусное состояние гидроморфных почв АБС УЧашниковоФ // Вестник
МГУ. Сер. Почвоведение. 1989. №1. С.7-14.
29.Гомонова Н.Ф., Зенова Г.М., Овчинникова М.Ф., Черных И.Н. Изменение химико-
биологических свойств дерново-подзолистой почвы при длительном применении
удобрений и извести // Вестник МГУ. Сер.Почвоведение. 1989. №3. С.57-64.
30 Овчинникова М.Ф., Самойлова Е.М., Волкова О.Ф. Влияние микрорельефа на химические
свойства и гумусное состояние дерново-подзолистых окультуренных почв // Вестник
МГУ. Сер. Почвоведение. 1990. №1. С. 9-16.
31.Ovchinnikova M.F. The influence of different factors on properties, humus status and
bioproductivity of soddy podzolic soils // Transaction of the Х international symposium
УHumus et PlantaФ. Prague. 1991.
32.Овчинникова М.Ф. Гумусное состояние и биопродуктивность дерново-подзолистых почв
разной степени окультуренности // Почвоведение. 1992. №4. С.50-58.
33.Овчинникова М.Ф. Гумусное состояние дерново-подзолистой почвы при 4-летнем
возделывании кукурузы в выводном поле севооборота // Агрохимия. 1993. №6. С.51-60.
34.Овчинникова М.Ф. Изменение свойств дерново-подзолистой почвы при многолетнем
возделывании пропашной культуры//Вестник МГУ. Сер. Почвоведение.1994. №4.С.20-26.
35.Овчинникова М.Ф. Влияние осушительной мелиорации и агромероприятий на
химические свойства и гумусное состояние дерново-подзолистой почвы // Почвоведение.
1996. №11. С.1361-1366.
36.Овчинникова М.Ф. Баланс гумуса в дерново-подзолистой почве в зависимости от
структуры севооборота // Вестник МГУ. Сер. Почвоведение. 1997. №3. С.26-31.
37.Овчинникова М.Ф. Содержание и состав гумуса в пахотных дерново-подзолистых
почвах и их механических фракциях в зависимости от рельефа // Вестник МГУ. Сер.
Почвоведение. 1997. №3. С.20-26.
38.Овчинникова М.Ф. Мониторинг гумусного состояния пахотной дерново-подзолистой
почвы // УПочвенно-экологические аспекты рационального землепользованияФ. М. 1997.
С.24-30.
39.Овчинникова М.Ф. Мониторинг гумусного состояния дерново-подзолистой почвы под
смешанным лесом // УПочвенно-экологические аспекты рационального
землепользованияФ. М. 1997. С.126-134.
40.Овчинникова М.Ф. Влияние различных факторов на гумусное состояние пахотной
дерново-подзолистой почвы // Сб. УРазвитие почвенно-экологических исследованийФ
(Ред.Минеев В.Г., Головков А.М.). М.: МГУ. 1999. С.154-162.
41.Овчинникова М.Ф., Карева О.В. Изменение некоторых свойств и биопродуктивности
дерново-подзолистой почвы в зависимости от экспозиции склонов // Агрохимия. 2000.
№3. С.5-11.
42.Соболева-Докучаева И.И., Чернышев В.Б., Афонина В.М., Овчинникова М.Ф., Тимохов
А.В. Факторы, определяющие размещение Coleoptera на поле с с.-х. культурой и его
обочинах // Зоологический журнал. 2000. Т.79. №9. С.1067-1072.
43.Овчинникова М.Ф. Влияние факторов природного и техногенного происхождения на
свойства и биопродуктивность дерново-подзолистой почвы//Агрохимия.2001. №8.С.18-26.
44.Овчинникова М.Ф. Дегумификация дерново-подзолистых почв. М.: МГУ. 2002. 120с. 45.Овчинникова М.Ф. Влияние водной зрозии на химические свойства и гумусное состояние
пахотной дерново-подзолистой почвы на двучленных отложениях // Вестник МГУ. Сер.
Почвоведение. 2003. №1. С.36-41.
46.Минеев В.Г., Гомонова Н.Ф., Овчинникова М.Ф. Устойчивость созданного длительным
применением агрохимических средств плодородия дерново-подзолистой почвы //
Агрохимия. 2003. №2. С.5-9.
47.Овчинникова М.Ф., Гомонова Н.Ф., Минеев В.Г. Содержание, состав и подвижность
гумусовых веществ дерново-подзолистой почвы и уровень её биопродуктивности при
длительном применении агрохимических средств // Доклады Россельхозакадемии.
2003. №5. С. 22-25.
48.Овчинникова М.Ф., Гомонова Н.Ф., Минеев В.Г. Действие и последействие длительного
применения агрохимических средств на гумусное состояние и биопродуктивность
дерново-подзолистой почвы // Вестник МГУ. Сер. Почвоведение. 2003. №4. С.41-44.
49.Овчинникова М.Ф. Свойства почвы и продуктивность агроценоза кукурузы в зависимости
от системы удобрений // УПриемы повышения плодородия почв, эффективности
удобрений и средств защиты растенийФ. Материалы международной научно-практической
конференции, г.Горки, 27-29 мая 2003. С.117-118.
50.Минеев В.Г., Гомонова Н.Ф., Овчинникова М.Ф. Плодородие и биологическая активность
дерново-подзолистой почвы при длительном применении удобрений и их последействии
// Агрохимия. 2004. №7. С.5-10.
51.Гомонова Н.Ф., Овчинникова М.Ф. Оценка эффективности действия и последействия
различных систем удобрений на основе комплексной характеристики показателей
плодородия дерново-подзолистой почвы// Сборник УАгрохимия в вузахФ..2004. С.319-324.
52.Овчинникова М.Ф., Карева О.В. Дифференциация свойств и биопродуктивности дерново-
подзолистой почвы в зависимости от экспозиции склонов//УЭкологические проблемы с.-х.
производстваФ. Воронеж. 2004. С.68-73
53.Минеев В.Г., Гомонова Н.Ф., Овчинникова М.Ф. Плодородие и биопродуктивность
дерново-подзолистой почвы в период применения агрохимических средств и после их
отмены. Плодородие. 2004. №6. С.12-13.
54.Овчинникова М.Ф., Гомонова Н.Ф, Зенова Г.М. Изменение свойств и биопродуктивности
дерново-подзолистой почвы при длительном применении агрохимических средств и их
последействие // Эколого-агрохимические проблемы воспроизводства плодородия почв в
современных условиях. М. 2004. С.25-34.
55.Овчинникова М.Ф., Карева О.В. Гумусное состояние и биопродуктивность эродированной
дерново-подзолистой почвы // Эколого-агрохимические проблемы воспроизводства
плодородия почв в современных условиях. М. 2004. С.35-42.
56.Овчинникова М.Ф. Плодородие дерново-подзолистой почвы в зависимости от системы
удобрений // Эколого-агрохимические проблемы воспроизводства
плодородия почв в современных условиях. М. 2004. С.15-24.
57.Овчинникова М.Ф., Гомонова Н.Ф., Зенова Г.М. Изменение свойств почвы и
продуктивности агроценозов при длительном применении различных систем удобрений
// Почвоведение. 2005. №1. С.104-112.
58.Овчинникова М.Ф., Гомонова Н.Ф., Минеев В.Г. Специфика состава и свойств
гумусовых веществ в дерново-подзолистых почвах разной степени окультуренности //
Доклады Россельхозакадемии. 2006. №6. С.27-30.
Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по биологии