Содержание к диссертации
Введение
2. Объекты и методы исследования
1. Общая ландшафтно-географическая характеристика района исследования 7
2. Почвенный покров территории 11
3. Характеристика оросительных систем и режимов орошения 12
4. Характеристика исследованных почв 14
5. Методы исследования 27
3. Изменение органического вещества шных черноземов под влиянием орошения
1. Обзор литературы по исследуемому вопросу 32
2. Изменение гумусного состояния южных черноземов под влиянием орошения дождеванием
а) Содержание и запасы гумуса 37
б) Фракционно-групповой состав гумуса 42
в) Содержание не специфических соединений 47
г) Изменение профильного распределения гумуса 51
3, Изменение гумусного состояния южных черноземов под влиянием орошения затоплением под рис
а) Содержание и запасы гумуса 57
б) Фракционно-групповой состав гумуса 61
в) Содержание неспецифических соединений 65
4. Влияние орошения на дисперсность почвенного гумуса 68
5, Влияние орошения на связь органического вещества с минеральной частью почвы 87
6, Изменение условий гумификации под влиянием орошения 94
7. Применение системы показателей дяя диагностики влияния орошения на гумусное состояние южных черноземов 100
Заключение 104
Выводы 106
- Характеристика оросительных систем и режимов орошения
- Изменение гумусного состояния южных черноземов под влиянием орошения дождеванием
- Изменение гумусного состояния южных черноземов под влиянием орошения затоплением под рис
- Применение системы показателей дяя диагностики влияния орошения на гумусное состояние южных черноземов
Введение к работе
Сельскохозяйственное значение черноземных почв определяется прежде всего их особой ролью в земледелии страны, в производстве главного продукта сельского хозяйства - хлеба.
И к настоящему времени черноземная зона является основной житницей страны. Более 80$ товарного зерна производится на черноземных почвах. Здесь сосредоточено около половины пахотных почв СССР.
Особая забота и внимание уделяются черноземам именно сейчас, когда наша партия, последовательно осуществляя курс аграрной политики, разработала Продовольственную программу СССР до 1990 года, главная задача которой: обеспечить в возможно сжатые сроки устойчивое снабжение населения всеми видами продовольствия, существенно улучшить структуру питания советских людей за счет наиболее ценных продуктов.
Отмеченное особое положение черноземов среди других почв в развитии земледелия нашей страны обусловлено их высокими агрономическими: свойствами, которые тесно связаны прежде всего с богатством этих почв гумусом (Александрова, 1983; Добровольский, 1983; Орлов, Лозановская, 1983).
Черноземы относятся к зоне недостаточного увлажнения, поэтому радикальным способом улучшения их водного режима является орошение (Ковда, 1966, 1968),
Государство вкладывает значительные капитальные средства и материальные ресурсы в повышение и поддержание плодородия черноземов, в частности в развитие орошаемого земледелия на черноземах. Только в Украинской ССР предусматривается ввести в эксплуатацию дополнительно за десятилетие не менее I млн. гектаров орошаемых земель. Однако, в ряде случаев орошение не только не приводит к повышению плодородия черноземов, но и ведет к отрицательным последствиям для самих почв и не дает эффективных экономических эффектов (Зонн, 1983; Корнблюм, 1978; Гринченко и др., 1983; Hill , 1951; Gupia, 1955).
Развитие современного почвообразовательного процесса в орошаемых черноземах, эволюция почвенного плодородия может происходить по-разному в зависимости от характера и интенсивности антропогенного воздействия: при неправильном, нерациональном орошении черноземов происходит ослабление благоприятных в агрономическом понимании элементарных процессов почвообразования, и в результате ухудшаются физические, биологические, физико-химические свойства черноземов, уменьшается количество органического вещества, важнейшего фактора их эффективного плодородия (Розанов, 1973; Николаева и др., 1974; Майнашева и др., 1974; Ковда, Розанов, 1975; Розанов, Абдель-Моталлиб, 1975; Подымов, Скрябина, 1978; Стома, I97S; Лядова, 1980; Майнашева и др., 1983).
В этой связи большое научно-теоретическое и народнохозяйственное значение имеет изучение эволюции черноземов при орошении, процессов превращения и баланса органического вещества, конечной целью чего является создание технологического комплекса управления процессами гумусообразования и, следовательно, плодородием.
Цель настоящего исследования: изучить влияние орошения на трансформацию органического вещества южных черноземов.
Основные задачи: I) изучить влияние различных видов и различных сроков орошения на состав и содержание специфических и неспецифических органических соединений, на степень подвижности и дисперсность органического вещества, на связь органического вещества с минеральными соединениями; 2) выявить тенденцию эволюции гумусного состояния южных черноземов при орошении; 3) изучить пригодность и достаточность существующей системы показателей гумусного состояния почв (Гришина, Орлов, 1977) для прогнозирования изменения органического вещества орошаемых черноземов.
Исследования проведены на Нижне-Днестровской оросительной системе Одесской области (черноземы южные, поливы полевых культур в севообороте дождеванием) и на рисовой системе колхоза "дружба" Одесской области Килийского района (черноземы южные, полив риса затоплением).
При постановке этого исследования имелось в виду, что до настоящего времени отсутствуют четкие представления о закономерностях изменения содержания и состава гумуса ЦРИ орошении черноземов как дождеванием, так и затоплением, хотя разрозненные, часто противоречивые сведения по этому вопросу и имеются в литературе. Одновременно предполагалось, что на основе полученных данных можно разработать ряд практически важных рекомендаций по управлению гумусным состоянием черноземов в условиях орошаемого земледелия в целях длительного поддержания их плодородия на достаточно высоком уровне, обеспечивающем эффективность орошения.
Работа выполнена на кафедре Общего почвоведения факультета Почвоведения МГУ под руководством доктора биологических наук, профессора Б.Г.Розанова в течение 1980-1983 гг. В 1969-1974 гг. этике участки были обследованы Одесской экспедицией кафедры, что позволило сопоставить полученные нами результаты с исследованиями, проведенными десять лет назад.
Характеристика оросительных систем и режимов орошения
Нижнє-Днестровская оросительная система действует с 1962 года. Орошение осуществляется дождевальными машинами ДДА.-І00М, "Волжанка" и "Фрегат". Норма вегетационных поливов обычно 500- 600 м /га, а общая оросительная норма достигает 2000-2500 м /га. Для орошения подаются пресные слабоминерализованные и слабощелочные воды из Днестра с минерализацией не выше 0,6 г/л, сульфатно-карбонатного состава. Соотношение катионов Жк/ (Са + Mo-) в воде вполне благоприятно (Буданов, 1965) и колеблется в пределах 0,1-0,5 (допустимое соотношение этих ионов равно 2). Вполне благоприятна вода и по соотношению катионов Ма и Са : Ma / (Ca + Ма )х 100 не превышает 38, допустимо 50 (Ковда, 1968). Состав вод в ирригационной сети несколько изменяется по сезонам. Основные изменения минерализации вод наблюдаются в течение летнего периода: от апреля к августу происходит возрастание общей минерализации вод (с 0,4 до 0,6 г/л). При этом особенно существенно увеличивается содержание Л/а (в 4 раза), а также анионов S0 , СО3 и Св ; рН вод возрастает с 7,8 до 8,3. Проектирование и строительство обширных оросительных систем в южной степи Украины обосновывали глубоким залеганием грунтовых вод, хорошей дренированностью платообразных лёссовых равнин и отсутствием скоплений солей в зоне аэрации. Многолетний опыт орошения черноземов в этих условиях проводили на небольших изолированных площадях и поэтому он не мог быть полностью использован. За счет фильтрационных потерь воды из оросительных каналов, перетекания оросительных вод в нижние слои зоны аэрации уровень грунтовых вод в районе действия оросительной системы поднялся (Розанов, 1974). По данным Н.А.Крекды и Н.И#Лядовой (1983) эксплуатация оросительной системы в течение 10-20 лет привела к прогрессивному подъему уровней грунтовых вод (в среднем 0,4 м в год) и появлению заболоченных и засоленных черноземов, т.е. к изменению гидрогеологических и гидрохимических условий этих территорий. Здесь на большей (около 80$) части орошаемых территорий грунтовые воды еще находятся на глубине свыше 5 м, а на остальной части (20$) - менее 5 м (в том числе до 8-10$ - на глубине менее I м). Рисовая система колхоза "Дружба" действует с 1969 года. Затопление рисовых полей производилось водой из р.Дунай. Вода слабоминерализованная (0,24 г/л), гидрокарбонатно-кальциевого состава (Николаева, Майнашева, 1980), вполне пригодная для орошения. До начала инженерно-строительных работ грунтовые воды залегали глубоко и не оказывали непосредственного влияния на процессы почвообразования. К 1972 году на участках, занятых рисом и находящихся в сезон рисосеяния в затопленном состоянии, грунтовые вода поднялись с 5-8 м до 2-2,2 м (в межполивной период).
За пределами системы воды вскрываются на глубине 4,5-5,5 м. Уровень воды в межполивной период довольно стабильный: а в апреле и в октябре держится на уровне 2 м. С июля по август наблюдается замедленное смыкание грунтовых вод с оросительными. Снижение уровня грунтовых вод после прекращения подачи воды происходит также постепенно. Объектами исследования на территории Нижне-Днестровской оросительной системы послужили южные черноземы неорошаемые и различных сроков орошения дождеванием (9 и 19 лет орошения). Разрез 10 - неорошаемый, среднемощный, А + АВ = 61 см, мало-гумусный, тяжелосуглинистый южный чернозем с глубиной вскипания от НС& 49 см - выбран в совхозе "Петродолинский" в 4 км восточнее сДетродолина на выровненном участке между совхозным садом и трассой Маяки-Овидеополь на пологом водораздельном плато, занятом полем люцерны. Апах 0-30 см - тяжелый суглинок, свежий, темно-серый, комковато-зернистой структуры, уплотненный, пористый; содержит много средних и мелких корней, ходы дождевых червей; нижняя граница ровная, переход вниз заметный по цвету. АВ 30-61 см - тяжелый суглинок, сухой, буровато-темно-серый, зернисто-комковатой структуры, плотный; пористость меньше, чем в Апах; встречаются мелкие и средние корни, ходы червей; нижняя граница неровная, затёками, переход по цвету и наличию белоглазки. Вік 61-80 см - тяжелый суглинок, сухой, темно-бурый, комковатый, плотный, пористый, с единичной белоглазкой и редкими включениями тонких корней, ходов червей и кротовин; нижняя граница неровная, переход по обилию белоглазки; горизонт выделить трудно, т.к. много затёков гумуса из вышележащего горизонта. В2к 80-115 см - тяжелый суглинок, сухой; цвет неоднородный: на фоне бурого тона выделяются тёмные пятна по ходам кротов; ореховато-комковатая структура; плотный, пористый; белоглазка по всему горизонту; включения тонких корней; переход вниз ясный по цвету.
Изменение гумусного состояния южных черноземов под влиянием орошения дождеванием
За последние десятилетия был накоплен большой фактический материал в отношении изменений гумусового состояния черноземов при орошении. Исследования проводились по двум основным направлениям: изучалось влияние орошения, во-первых, на содержание и запасы гумуса и азота в почвах, а, во-вторых, на качественные характеристики гумуса (фрагащонно-групповой состав). Однако, полученные до настоящего времени данные по изменению гумусового состояния почв при орошении, в частности, южных черноземов, противоречивы. Нет также единозначного суждения о механизмах трансформации гумуса и о дальнейших путях развития почвообразовательного процесса при увеличении длительности орошения черноземов.
Одни авторы (Соколовский, 1968; Джиндил, 1974) отмечали увеличение содержания гумуса при длительном орошении южных черноземов, другие же (Орлов и др.,1975; Аниканова и др., 1980) наблюдали противоположное явление . Антипов-Каратаев и Филиппова (1955) отмечают небольшое падение (около 1%) содержания гумуса в пахотном горизонте и увеличение его количества на глубине 70-100 см для староорошаемых (50 лет) черноземов.
Падение гумусности в верхней части профиля и увеличение ее в нижней отмечается Брешковским (1962), который рассматривал чернозем с 5-летним сроком орошения. В обоих случаях констатируется факт понижения границы гумусового горизонта.
Исследования Б.Г.Розанова с соавторами (1975) южных черноземов различных сроков орошения (5 и 15 лет) показали, что после кратковременного орошения в горизонте Апах содержание гумуса повысилось, в результате длительного орошения содержание гумуса снизилось. В то же время, с увеличением срока орошения проявляется тенденция к относительному возрастанию доли ионов натрия и хлора в составе солей. Этим можно объяснить увеличение подвижности ГК по профилю, поскольку с ростом содержания ионов JlfcL в растворе все большую роль начинают играть подвижные гуматы Jfa. по сравнению с менее подвижными солями Са.
По мнению Барановской и Азовцева (1973) отсутствие увеличения гумуса в верхних слоях орошаемых почв можно объяснить усилением микробиологических процессов его распада при орошении и перемещением гумусовых веществ с поливными водами в нижние горизонты почвы.
При изучении качественного состава гумуса орошаемых южных черноземов некоторые исследователи (Джиндил, 1974; Орлов и др., 1975, 1980) обнаружили увеличение подвижности гумуса и сужение отношения (. : Gg , объясняя данное явление, по-первых, изменением химического состава почвы (оросительные воды постепенно вымывают Са , что уменьшает закрепление гумусовых кислот); во-вторых, возможным растворением гумусовых кислот в слабощелочных условиях оросительных вод и дальнейшей окислительной деструкцией ГК за счет кислорода воздуха. Согласно же мнению Барановской и Азовцева (1973) в староорошаемых почвах содержание ФК значительно меньше, чем в неорошаемых за счет вымывания их с фильтрационными водами и осаждения в иллювиальном горизонте.
Е.Н.Мишустин с соавторами (1965) предположил, что вещества, подобные фульватным, образуются на одной из стадий гумусообразо-вания; при анаэробных условиях процесс задерживается на этой стадии. Поскольку во время орошения и в первые 1-2 дня после него в почвах могут создаваться анаэробные условия, можно ожидать увеличение фульватной группы гумуса.
Что же касается данных по изменению гумусового состояния черноземов, орошаемых затоплением под рис, то они менее противоречивы.
Многие авторы (Неунылов, 1956,1961; Карманов, I960; 1966; Бессонов, 1967; Кириченко, 1969; Обухова, 1969; Дубовская, 1970; Орлов и др., 1980) отмечали обеднение почв органическим веществом при длительном рисосеянии. Уменьшение гумуса этими авторами связывается с изменением характера поступления в почву растительных остатков и превращений органического вещества, отчасти с планировочными работами, с образованием подвижных железо-гумусовых комплексов, выносимых из почвы. Исследования качественного состава гумуса показали, что в затапливаемых почвах увеличивается количество фульвокислот и уменьшается количество гуминовых кислот (Неунылов, 1961; Кононова, 1963; Пономарёва, 1964; Фридланд, 1964; Кандауров, 1967; Обухова, 1969; Александрова, 1970; Горшкова, Корнблгом, 1970; Горшкова, 1971; Орлов и др., 1980). Если Неунылов (1961) и Горшкова (1971) увеличение доли ФК в составе гумуса объясняют тем, что в восстановительных условиях часть гуминовых кислот подвергается гидролизу и переходит в группу фульвокислот, то Кандауров (1967) увеличение подвижности гумуса связывает с накоплением более гидрофильных гумусовых кислот. Исследуя групповой состав гумуса затапливаемых почв.,Фридланд (1964), Обухова (1969) нашли, что гуминовые кислоты этих почв по своему строению очень близки к фульвокислотам. По мнению Обуховой (1969), при длительном затоплении конденсация и старение ГК затруднены, в связи с этим ГК и ФК имеют рыхлое строение, близкий состав и свойства
Изменение гумусного состояния южных черноземов под влиянием орошения затоплением под рис
Дополнительное количество влаги в почве при орошении, конечно, изменяет почвенную среду. Изменения гумусового состояния почвы будут происходить в зависимости от того, насколько складывающаяся новая экологическая обстановка соответствует природным условиям формирования самой почвы. Посмотрим, какова же специфика изменения органического вещества южных черноземов разных сроков орошения дождеванием.
Запасы гумуса в почве определяются соотношением интенсивное-тей новообразования и разложения гумусовых веществ, что можно представить в следующем виде (Кононова, 1951): гумус = гумус исх. + гумус новообраз - гумус разлож.
Новообразование гумуса зависит в значительной степени от количества поступающих в почву растительных остатков. В первые годы орошения биомасса корней значительно увеличивается, особенно в пахотном горизонте: озимая пшеница без орошения - 33, 3 ц/га, при орошении - 49,7 ц/га; при первом укосе неорошаемой люцерны -89,6 ц/га, орошаемой - 110,2 ц/га (Евдокимова, Новокшонова, 1980). Наряду с ростом биомассы корней растений при орошении происходит увеличение биомассы и разнообразия микрофлоры (Берендеева и др., 1977; Дуда и др., 1980), в особенности актиномицетов и бактерий, активизирующих процессы разложения органического вещества (табл. II). Согласно данным Дуды (1980), через 13 лет орошения в изученных нами почвах содержание аэробных бактерий увеличилось в два-четыре раза, актиномицетов - два раза, анаэробных бактерий - в два раза.
Наши исследования показали, что изменение запасов гумуса в горизонтах Апах и АВ при орошении происходит различным образом (рис.1). В пахотном горизонте в первые годы орошения количество разлагающегося микрофлорой гумуса уравновешивается количеством новообразованного гумуса из поступающих остатков корней, и запасы его остаются такими же, как и на неорошаемом участке. По мере увеличения длительности орошения этот баланс постепенно сдвигается в сторону разложения, которое начинает преобладать над новообразованием, в результате чего общие запасы гумуса в пахотном горизонте уменьшаются (табл.12).
В пахотном горизонте в первые годы орошения происходит уменьшение запасов гумуса, вероятно, из-за того, что потери его в результате разложения микроорганизмами не восполняются новообразованием гумусовых веществ (рис.1). Затем процесс постенно стабилизируется.
Общую тенденцию изменения количества гумуса характеризуют запасы его в метровой толще. Судя по их величинам, разложение органического вещества происходит интенсивно до определенной поры (9-Ю лет), затем почва со своей новой "влаголюбивой" микрофлорой приходит в некое равновесное состояние с изменившейся при орошении экологической обстановкой, и запасы гумуса уменьшаются значительно медленнее. Таким образом, за весь двадцатилетний срок орошения происходит постепенное обеднение почвы гумусом, более интенсивное в первые годы орошения. Результаты исследований фракционно-группового состава гумуса представлены в таблице 13. Тип гумуса в пахотном горизонте неорошаемой почвы гуматный: отношение С. к С равно 2,69, при орошении отношение С к СфК уменьшается и гумус становится фульватно-гуматный.
Основной чертой фракционного состава гумуса является то, что в нём преобладает фракция 2 как гуминовых кислот (ГК2), так и фульвокислот (ФК2). Это характерно для почв черноземного типа. При орошении количество фракции 2 уменьшается.
В первые годы орошения наблюдается накопление второй фракции в горизонте АВ (р.II, 9 лет орошения). Джиндил (1974) такое явление объяснял увеличением подвижности ГК при орошении и вымыванием их в подпахотный горизонт. Вероятно, это один из возможных путей трансформации гумуса, так как, чем выше степень гидратации органо-минеральных коллоидов, тем слабее они закрепляются в почве (Александрова, Надь, 1958). Тогда в горизонте Апах разреза II должно было бы быть увеличение отношения С : С по сравнению с неорошаемым участком, ибо с большим успехом с поливными водами могли бы передвигаться ФК, однако этого не происходит.
Применение системы показателей дяя диагностики влияния орошения на гумусное состояние южных черноземов
Сводная характеристика уровней признаков гумусного состояния южных черноземов в зависимости от способа и длительности орошения представлена в таблицах 30 и 31.
Если рассматривать только качественные уровни показателей (Гришина, Орлов, 1977), то лишь по нескольким признакам орошаемые дождеванием южные черноземы отличаются от неорошаемых: I) по степени гумификации; 2) по содержанию прочносвязанных гу-миновых кислот; 3) по оптической плотности гуминовых кислот и 4) по типу гумуса.
Орошаемые затоплением южные черноземы отличаются от неорошаемых по следующим признакам: I) по степени гумификации органического вещества; 2) по содержанию гуминовых кислот, связанных с кальцием; 3) по содержанию прочносвязанных гуминовых кислот; 4) по типу гумуса.
Если же рассматривать количественные характеристики показателей, то они будут более информативными для суждения о характере и направлении изменения гумусного состояния южных черноземов при орошении. По содержанию гуминовых кислот, связанных с Са и по содержанию прочносвязанных гуминовых кислот южные черноземы, орошаемые затоплением, в большей степени, чем южные черноземы, орошаемые дождеванием, отличаются от неорошаемых. Возможно, при орошении затоплением трансформация органического вещества идёт глубже. По изменению же количественной характеристики типа гумуса и по содержанию гумуса {%) более неблагоприятная ситуация складывается на Нижне-Днестровской оросительной системе.
Как отмечалось выше, Срк : Сфк при орошении как дождеванием, так и затоплением уменьшается. Вероятно, уменьшение отношения Сгк І Сфк для почв зонально-генетического ряда и орошаемых дождеванием южных черноземов связано с различными факторами. Если для первых такое явление связано с ослаблением (Орлов,1977), то для вторых, наоборот, с усилением деятельности микрофлоры.
Для составления системы показателей гумусного состояния орошаемых почв нужно, видимо, уточнить, какие свойства почв в связи с изменением гумуса при орошении мы желаем изучать: изменение структуры почвы при орошении, доступность элементов питания гумусовых веществ для растений и т.д. Так для изучения изменения почвенной структуры при орошении будет более важным вопрос о за- пасах гумуса. При изучении свойств почв с точки зрения их способности удовлетворять растения питательными элементами нужно в большей мере изучать вопрос о подвижности гумуса ("активный гумус").
Необходимо также отметить, что для определения тенденций и направления изменения гутлусного СОСТОЯНИЯ ПОЧВ при орошении простая оценка показателей по их качественным уровням не является достаточной, будучи преемлемой лишь при характеристике зональных различий типов и подтипов почв. А вот количественная характеристика показателей является высокоинформативной для суждения о характере и направлении изменения гумусного состояния почв при орошении.
При решении задач, которые мы ставили в начале настоящей работы, была выявлена специфика изменения органического вещества южных черноземов при орошении различными способами. При этом был сделан вывод о не вполне благоприятном гумусовом состоянии южных черноземов при орошении как дождеванием, так и затоплением. Сравнение данных о почвах различных лет орошения позволило сделать заключение о направлении эволюции гумуса орошаемых южных черноземов. Была выяснена недостаточная информативность общей системы показателей гумусного состояния для диагностики изменения органического вещества почв при орошении. Кроме того, была сделана попытка объяснить механизмы трансформации гумуса микробиологической деятельностью.
