Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор литературы 5
1.1. Значение свойств почв в нормировании деградационных процессов 5
1.2. Значение мощности генетических горизонтов почвы в нормировании деградационных процессов 10
1.3. Влияние свойств почв на допустимые нормы эрозии 16
2. Методика работы и объекты исследования 27
3. Особенности природных условий северо-западного предкавказья, способствующие деградации почв 34
3.1. Климат 34
3.2. Геоморфологические особенности региона 38
3.3. Растительность 42
3.4. Почвенно-экологические особенности почвенного покрова и экзогенно-эрозионная характеристика Отрадненского района 44
4. Результаты исследований 50
4.1. Изменение плодородия черноземов обыкновенных в результате антропогенеза в сельскохозяйственных угодьях на примере колхоза «Родина» Отрадненского района 50
4.2. Характеристика черноземов обыкновенных в местах проведения исследований (стоковые площадки) 55
4.3. Физические и водно-физические свойства у черноземов обыкновенных Северо-Западного Предкавказья 59
4.4. Агрохимические свойства черноземов обыкновенных 78
4.5. Общие морфологические особенности черноземов обыкновенных Северо-Западного Предкавказья 80
4.6. Определение места перехода чернозема обыкновенного в различную степень эродированности в геоморфологическом профиле на склоне 84
4.7. Установление критической мощности гумусового горизонта . для чернозема обыкновенного 90
4.8. Влияние свойств черноземов обыкновенных на проявление процессов водной эрозии почв в Отрадненском районе 96
4.9. Обоснование и расчет предельно-допустимого уровня эрозии для черноземов обыкновенных Северо-Западного Предкавказья различной степени смытости 104
5. Экономическая и экологическая эффективность использования допустимых потерь у черноземов обыкновенных в земледелии северо-западного Предкавказья 115
Выводы и предложения производству 121
Литература 124
Приложения 138
- Значение мощности генетических горизонтов почвы в нормировании деградационных процессов
- Геоморфологические особенности региона
- Характеристика черноземов обыкновенных в местах проведения исследований (стоковые площадки)
- Установление критической мощности гумусового горизонта . для чернозема обыкновенного
Введение к работе
Черноземные почвы характеризуются высоким плодородием и по праву относятся к национальному богатству России.
Краснодарский край располагает богатыми и разнообразными природными ресурсами, уникальными почвами.
Интенсивная обработка почвы (распашка земель в степной части превышает 90 процентов), отчуждение питательных веществ с урожаями, загрязнение средствами химизации, дегумификация и эрозия почв - важнейшие факторы, непосредственно влияющие на состояние пахотных земель." Наиболее уязвимыми оказываются пахотные угодья и пастбища, страдающие от эрозии.
При последнем туре почвенного обследования (Кубанский гипрозем, 1990-1991 гг.) в степной и центральной частях края выделено 202,9 тыс. га слабосмытых почв, 17,3 тыс. га среднесмытых и 4,1 тыс. га сильносмытых, причем на склонах до 5 градусов на пашне появились и слабо размытые почвы на площади 2,2 тыс. га.
Общая площадь из обследованных 4078,3 тыс. га земель в крае, подверженных водной эрозии составляет 1009,3 тыс. га, втом числе:
- слабосмытых - 707,7 тыс.га;
- среднесмытых- 158,5 тыс.га;
- сильносмытых- 143,1 тыс.га.
Следует отметить, что максимальное развитие процессы водной эрозии получили в Предгорной и Черноморской природно-климатических зонах.
В то же время, в равнинной части края их площади с каждым годом увеличиваются, что лишний раз свидетельствует о неэффективности принятой и осваиваемой в крае системы земледелия, о необходимости перехода на адаптивно-ландшафтную организацию территории региона.
По сравнению с 1995 годом площадь среднесмытых почв увеличилась на 66,6 тыс. га, сильносмытых - на 65,4 тыс. га. И если в 1995 году смытые почвы составляли 18 процентов от общей площади сельскохозяйственных угодий, то в 2000 году этот показатель возрос до 24 процентов.
Учитывая вышеизложенное, нами была поставлена задача изучить в динамике основные агрохимические, физические и противоэрозионные свой-ства черноземов обыкновенных Северо-Западного Предкавказья и вскрыть особенности генезиса черноземов обыкновенных разной степени смытости.
Научная новизна работы заключается в том, что впервые на примере Северо-Западного Предкавказья изучена динамика противоэрозионных свойств у черноземов обыкновенных разной степени смытости, установлена корреляция между динамикой процессов водной эрозии и изменением противоэрозионных свойств у черноземов обыкновенных разной степени смытости.
На защиту выносятся следующие положения выполненной работы:
1. Мониторинг противоэрозионных свойств и морфологических призна t ков у черноземов обыкновенных разной степени смытости.
2. Мониторинг процессов водной эрозии на черноземах обыкновенных разной степени смытости на примере Отрадненского района Красно-дарского края.
3. Методический подход и расчет предельно допустимых уровней эрозии для черноземов обыкновенных Северо-Западного Предкавказья.
Значение мощности генетических горизонтов почвы в нормировании деградационных процессов
Со времен первых землеоценочных работ в России, как оптимальное решение определилась оценка качества почв на основе учета вклада отельных генетических горизонтов в формирование урожая. В 1899 году К.Д. Глинка, критикуя В.В. Виннера за то, что он ограничивался при бонитировке лишь одним почвенным горизонтом, предлагал проводить полевые опыты с участием всех горизонтов. В начале двадцатого века К.К. Гедройц, занимаясь вопросами клевероутомления почв, ставил опыты на сосудах по изучению сравнительного плодородия различных почвенных горизонтов, взятых из Тульской и Смоленской губерний. Затем в 20-е годы С.А. Захаров, а 30-е годы Б.А. Ганжа занимались этими вопросами для обоснования идеи В.Р. Вильямса о необходимости глубокой пахоты (34).
К настоящему времени накоплена достаточно обширная информация о плодородии отдельных генетических горизонтов и слоев почв, опубликовано более 80 работ, преимущественно по Европейской части территории России.
Установлено (Иванов, Гуцаки, 1957; Ушкаренко, 1975; Кобзаренко, 19J6; Иванец, 1979; Похлебкина, 1979), что плодородие подзолистых, дерново-подзолистых, подзолисто-желтоземных и коричневых почв в основном определяется производительной способностью гумусово-аккумулятивных горизонтов; по их данным урожайность зерновых культур на почве из горизонта 20-40 см составляет 28-46% от уровня урожайности пахотного горизонта.
Многочисленные данные (Беляев, 1974; Зимкувене, Машаускенс, Тинд-жилис, 1980; Бурыкин, Сергеев, 1980; Алехин, Вальков, Киян, 1985 и др.) др.) свидетельствуют, что чем сильнее выражены различия профиля почвы и чем резче обособлены сами по себе генетические горизонты в своем строении и химическом составе, тем больше разницы в плодородии отдельных горизонтов почвы.
Отмечается (Тайчинов, 1941; Ляхов, Герасимова, 1974; Лисецкий, 1983, 1994 и др.), что в процессе почвообразования большинство почвенных разностей из года в год обогащают свои нижние горизонты значительным количеством веществ, в том числе и питательных, за счет вымывания их из верхнего перегнойно-аккумулятивного горизонта вниз по профилю. Однако, они быстро переходят в недоступное для питания растений состояние. В результате глубоко залегающие горизонты не делаются от этого более плодородными в сравнении с верхними. Исследования большинства авторов показывают (Захаров, 1945; Паилова, 1969 и др.), что чем глубже отдельные элементы питания растений залегают по профилю почвы, тем менее они по своей форме доступны растениям. Однако различные растения неодинаково используют питательные вещества из нижележащих горизонтов: такие культуры, как гречиха, сахарная свекла, подсолнечник - наиболее полно используют запасы питательных веществ в почве; хуже - злаковые и совсем плохо - бобовые (Вальков, 1992).
Результаты полевых и вегетационных опытов с почвами разных типов показали (Алехин, Вальков, Киян, 1985; Лисецкий, 1994; Штомпель, 1998), что зависимость плодородия отдельных слоев почвы от содержания гумуса в ней криволинейная, в то же время урожайность, особенно на переходных почвах, часто лимитируется такими свойствами, которые невозможно учесть диагностическими признаками. По результатам исследований ( Калачников, 1983), содержание легкофильтрующихся фенольных соединений, обладающих сильными гербицидными свойствами, в пахотных почвенных слоях обусловливает низкую производительность, независимо от общего количества усваираемых растениями питательных веществ.
В литературе имеются данные, показывающие, что в качестве показателя1" эффективного плодородия отдельных генетических горизонтов почвенного профиля можно использовать микробиологическую активность почвы, характеризующую напряженность процесса трансформации органического вещества и степень возможной реализации доступных питательных веществ в урожае (Франценсон, 1956; Сидоров, 1966; Лисецкий, 1988; Штомпель, 2002 и др.). В частности, приведенные результаты (Лисецкий, 1988) показывают, что пропорционально уменьшению эффективного плодородия пахотных, нижележащих горизонтов чернозема южного уменьшалась целлюлозо-литическая активность почвы в среднем по трем срокам экспозиции. Автором отмечено, что слой 75-100 см, судя по потенциальному плодородию, менее плодороден, чем слой 50-75 см, однако и степень разложения целлюлозы и урожайность ярового ячменя на нем оказались выше на 26-38%.
Установлено также, что и темно-каштановые почвы, которые на значительных площадях плантажированы, отличаются высоким плодородием подпахотного и верхнего горизонтов: в среднем за 4 года урожай зерновых, выращенных на этих горизонтах, был на 45% больше по сравнению с урожаем на пахотном слое (Ушкаренко, 1975).
Результаты изучения плодородия отдельных горизонтов профилей чернозема обыкновенного и чернозема южного (Ляхов, Герасимова, 1974; Лисецкий, 1983, 1988) свидетельствуют о значительной дифференциации гумусового профиля чернозема обыкновенного по уровню эффективного плодородия, хотя содержание гумуса постепенно уменьшается по профилю - с 4% в пахотном горизонте до 3% в слое 51-64 см. Подобное несоответствие уровня потенциального плодородия степени его реализации в эффективное отмечается рядом авторов при анализе результатов исследований на выщелоченных черноземах (Иванов, 1957; Макодзеба, 1956). Отмечено, что особенно существенно снижается уровень эффективного плодородия в нижней части горизонта Айв верхней части горизонта ABi. Глубже по профилю плодородие (слоев) закономерно уменьшается.
Геоморфологические особенности региона
По характеру морфологии поверхности предгорная повышенная равнина представляет собой пологонаклонную волнистую равнину с общим уклоном на северо-запад. В границах района она пересекается густой эрозионной сетью речных и балочных долин. Так, в направлении рек и ручьев, текущих вдоль тектонических поднятий (с продольными долинами) описЦваемая территория предгорной равнины расчленяется водотоками второго пррядка (их притоками) на ряд крупных водораздельных поверхностей (особенно по левобережью Урупа), изрезанных в свою очередь водотоками третьего и меньших порядков.
В восточной, центральной части землепользования района коренная равнина представлена междуречной водораздельной поверхностью Урупа и Большого Зеленчука, а в северо-восточной — лишь частью его массивов (так как граница района здесь проходит преимущественно по вершине водораздела). Вершина междуречья вблизи предгорий Кавказа слегка выпуклая, местами всхолмленная и имеет ширину не более 1 км, однако по мере продвижения на северо-восток рельеф ее становится более равнинным, а ширина, уже в центральной части колхоза "Россия" достигает 2,5-3 км, а в АО "Знамя" (на отдельных участках) — 11 км. В то же время равнинность междуречья осложняется эрозионно-балочной сетью. Наиболее глубоковрезанные балки находятся под пастбищами, а неглубокие повсеместно распаханы.
Склоны междуречья по правобережью Урупа очень широкие (5-7 км в районе расположения колхоза "Россия"), сильно изрезаны эрозионными формами рельефа и имеют различную крутизну (от пологих до сильнопокатых и крутых). При этом в верхней их трети они, как правило, достигают значительной крутизны (сильнопокатые, крутые и обрывистые) и характеризуются довольно ярким эрозионно-оползневым характером рельефа (особенно на территории колхоза "Россия", ПК "Родина" и ОПХ "Отрадненское").
Склоны описываемой водораздельной поверхности по левобережью Большого Зеленчука (территория колхоза "Россия") имеют значительную крутизну, нередко оползневые и обрывистые и рассекаются рядом глубоких балок, промоин и мелких оврагов. Ширина их в пределах 2,0-2,5 км. Следует отметить, что в результате водно-эрозионных процессов у подножий склонов, местами, образуются аккумулятивно-делювиальные шлейфы. Они имеют ровную, плоскую поверхность, полого спускающуюся к берегам долин рек. Среди речных артерий Уруп имеет наиболее развитую долину. Даже в предгорьях Кавказа она разработана на ширину 1,7-2 км, а при выходе на предгорную равнину достигает 3-3,5 км (ст. Отрадненская, колхоз им XX Партсъезда). Вместе с тем, ширина пойменной террасы Урупа в северовосточной части района составляет 1,5-1,7 км, а в центральной - не более 0,5-1,0 км. Пойма Урупа, на большей протяженности имеет довольно ровную, почти горизонтальную поверхность. В то же время на освоенных участках поймы равнинность местности изредка нарушается слабозаметными потяжи-нами; а неосвоенные массивы (занятые лесом и пастбищами) характеризуются сильно выраженным микрорельефом, представленным бугорками, западинками, гривками и множеством прирусловых и грядообразных повышений. Необходимо отметить, что прирусловая часть поймы Урупа, как правило, песчано-галечниковая. Почти повсеместно, и особенно в левобережье, пойменная терраса отделяется от надпойменной хорошо выраженным террасовым уступом с очень пологими и пологими склонами и только местами постепенно сливается с ней. Характерной особенностью рельефа надпойменной террасы Урупа является чередование ряда слабозаметных повышений и понижений и наличие неглубоких балочно-образных понижений. Берега долины Урупа на большей протяженности крутые и обрывистые (местами правые берега гораздо выше левых и достигают высоты 2,5-3,0 м). Долина Большого Зеленчука представлена двумя левобережными террасами - пойменной и надпойменной (разработана на ширину не более 1 км), при этом пойменная терраса отделяется от надпойменной довольно высоким и крутым террасовым уступом. Берега долины Большого Зеленчука, как и Урупа, почти повсеместно крутые, местами обрывистые. Только по левобережью Урупа и в северной части территории района сохранились довольно равнинные, местами плоские, участки крутых водораздельных поверхностей (ширина таких участков варьирует от 1,5 до 5,5 км), а в центральной и северо-западной части района коренные массивы предгорной равнины характеризуются наиболее сложным, расчлененным рельефом, с рядом невысоких холмообразных возвышенностей, грядообразных повышений и бугров. Так, в центральной и северо-западной части района гидрографическая сеть наиболее разветвленная и густая. Долины мелких рек и ручьев здесь разработаны, на ширину не более 0,6:Q,8 км. Берега их почти повсеместно высокие, достигают значительной крутизны, часто оползневые и обрывистые.
Характеристика черноземов обыкновенных в местах проведения исследований (стоковые площадки)
Наиболее характерны для рельефа угодий колхоза "Родина" Отраднен-ского района пологие и слабопокатые склоны (5-7). В соответствие с этим расположение стоковых площадок приурочено к участкам данной крутизны и экспозиции. Почвы, залегающие на водоразделе и склоне представлены черноземами обыкновенными малогумусными мощными и среднемощными не смытыми, слабосмытыми, средне и сильносмытыми. Почвообразующие породы - делювиальные глины. Морфологическое описание этих почв на примере разреза, заложенного рядом со стоковыми площадками.
Угодье - пашня. Почва - черноземы обык-новенные малогумусные мощные слабосмытые легкоглинистые на делюви-альных глинах. Апах 0-20 см - свежий, темно-серый с буроватым оттенком, порошисто- 20 комковатый, слабо уплотнен, легкоглинистый, корни растений, переход постепенный. Ai 20-54 см - влажный, темно-серый с буроватым оттенком, комковато- 34 зернистый, слабо уплотнен, легкоглинистый, корни растений, переход постепенный. ABj 54-89 см - влажный, серый с буроватым оттенком, зернисто- 35 ореховатый, слабо уплотнен, легкоглинистый, карбонатная плесень, переход постепенный. АВг 89-114 см - влажный, серый с бурым оттенком, ореховато-комковатый, 25 слабо уплотнен, легкоглинистый, карбонатная плесень, переход постепенный. В 114-139 см - влажный, темно-бурый с затеками гумуса, слабо уплотнен, 25 легкоглинистый, карбонатные прожилки, "белоглазка", переход постепенный. 9 С 139-200 см - влажный, бурый, легкоглинистый, бесструктурный, слабо и глубже уплотнен / белоглазка". Вскипание от 10% соляной кислоты наблюдается с поверхности, карбонатная плесень - с 49 см, "белоглазка" - со 121 см. Гранулометрический состав исследуемых черноземов обыкновенных легкоглинистый, с содержанием частиц 0,01 мм 60,8-65,3 % (табл. 4.4), в гумусовом слое (А+АВ) сравнительно однородный. Миграции ила по профилю не наблюдается и распределен он равномерно (33,2-37,3%). По соотношению сумм фракций эти почвы относятся к глинам легким иловато- пылеватым. Следует отметить весьма близкий механический состав почв 1 и Ч 2 стоковых площадок и сходство изменений по профилю. f По содержанию гумуса в пахотном слое исследуемые черноземы обыкновенные относятся к малогумусным (5,4 %). С глубиной его количество постепенно уменьшается до 0,2-0,3% в материнской породе (табл. 4.5).
Обеспеченность почв в пахотном горизонте подвижными фосфатами средняя (2,8-3,0 мг/100 г) при довольно высоком количестве валового фосфора (0,182-0,190%). Вниз по профилю содержание подвижных фосфатов возрастает в 3 раза (8,8 мг/100 г). Профиль исследуемых почв насыщен углекислым кальцием и они вскипают от 10 % соляной кислоты с поверхности. Количество карбонатов кальция возрастает от верхних горизонтов к нижним (0,7-11,5%) соответственно, и изменяет реакцию почвенного раствора от 7,6 до 8,4. Эти почвы обладают высокой поглотительной способностью. Сумма поглощен-ныхв оснований в пахотном слое до 38,0 мг-экв/100 г почвы, закономерно снижается и количество поглощенных оснований. i При этом 97 % ее приходится на поглощенный кальций. Вниз по профилю, с уменьшением содержания возрастает содержание магния. Таким образом, изучаемые черноземы обыкновенные имеют достаточно благоприятные агрономические свойства и пригодны под все зональные полевые культуры, с применением почвозащитной агротехники по борьбе с водной эрозией.
Установление критической мощности гумусового горизонта . для чернозема обыкновенного
Исследования по определению критической мощности гумусового горизонта были выполнены путем постановки специальных вегетационных опытов. При постановке вегетационного опыта руководствовались указаниями, изложенными в работах К.К.Гедройца (1955), З.И.Журбицкого (1968).
В период проведения вегетационных опытов вели наблюдения за изменением физических и химических свойств почвы. По результатам гранулометрического анализа чернозем обыкновенный отнесен к легким глинам с преобладанием в его составе илистых фракций (табл. 4.19), количество которых в горизонте В снижается, что объясняется постепенным затуханием ил-лювиальности и переходом к более легкой по механическому составу подстилающей породе. Количество фракций 0,05-1 мм с глубиной возрастает.
Установлено, что чернозем обыкновенный в горизонте А имел щелочную реакцию, рН почвы перед закладкой опыта - 8,5-8,6 (табл. 4.20). В горизонте В щелочность несколько повышалась (рН 8,6-8,7). В опыте отмечено подкисление почвы за период вегетации ячменя. После его уборки рН водной суспензии почвы в горизонте А и В составила соответственно 7,8 и 8,1. Внесенные удобрения несколько устраняли эффект подкисления почвы в процессе роста ячменя. По содержанию гумуса изучаемые почвы отнесены по существующей классификации к малогумусным. Разбавление гумусового горизонта почвог-рунтом горизонта В приводило к снижению содержания органического вещества с 5,35 до 1,55 %. В процессе проведения вегетационного опыта установлено изменение содержания гумуса (табл. 4.20). Некоторое снижение этого показателя отмечено за период роста ячменя и тенденция увеличения содержания органического вещества к концу вегетационного опыта. Доказуемого изменения содержания гумуса под влиянием внесенных удобрений не отмечено.
По содержанию общего азота в почве изучаемых вариантов значительных изменений не отмечено (табл. 4.21). Количество общего азота зависело от степени разбавления гумусового горизонта. 26 апреля и 8 мая проводились подкормки азотными удобрениями при поливе из расчета по 4,5 г сульфата аммония на каждый из 12 сосудов.
Сорные растения в сосудах удаляли по мере их появления при рыхлении почвы в межполивной период.
Прохождение фенофаз. С 15 апреля отмечено начало кущения ячменя во всех сосудах, получивших полное удобрение (№ 19-30). Растения ячменя в вариантах без удобрений за период вегетации не полностью прошли фазу кущения. 3 мая отмечена фенофаза "выход в трубку". С 13 мая начало колошения в удобренных вариантах. 17 мая эти растения начали цвести, а в сосудах без удобрений отмечено начало колошения. 18 июня проведена уборка вегетативной массы ячменя. Количество растений ячменя в сосудах вегетационного опыта к моменту уборки урожая составляло 18-20 штук на сосуд.
Следует отметить, что в варианте слабосмытой почвы создавшиеся почвенные условия не ухудшали темпы роста и развития полевых культур. Почва в этом варианте меньше уплотнялась после поливов, легко рыхлилась. При 40 %-ном разбавлении гумусового слоя (вариант 3) снижение показателей продуктивности составляло 26-27 %. Прямая связь гумус - продуктивность растений в вариантах с внесением удобрений ослаблялась, поскольку уменьшается его роль как источника элементов питания. Показатели продуктивности в удобренных вариантах в сравнении с контрольным вариантом увеличились на 30-100 %.
Смешивание гумусового слоя с почвообразующей породой особенно значительно сказалось на урожае зерна. Размер колосьев и количество зерен в колосе уменьшалось при возрастании доли горизонта В. В варианте, имитирующем полностью смытую почву (вариант 6) количество зерен в колосе и масса колоса снизилась в сравнении с контролем на 58-63 %.Такая же зависимость наблюдается по массе зерна на один сосуд (на 20 растений). Натура зерна (масса 1000 зерен) не значительно различалась по вариантам опыта. Колебание этого показателя достигало лишь 18 %. Ячмень положительно отзывался на дополнительное питание. В вариантах с внесением удобрений прибавка урожая достигала 37-75 %. Причем наибольшая прибавка зерна соответствовала варианту с использованием 100% почвы горизонта А.
