Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ 7
1.1 Понятие агроэкологической неоднородности почвенного покро ва
1.2 Катенный метод изучения почвенного покрова 14
1.3 Плодородие почв в зависимости от расположения на склоне 17
1.4 Использование и учет неоднородности почвенного покрова и плодородия в опытном деле и производственных условиях
1.5 Комплексная оценка плодородия почвы 37
ГЛАВА 2. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ 45
2.1 Условия и характер почвообразования 45
2.2 Морфологические особенности почв 57
2.3. Почвенный покров участка 67
2.4 Погодные условия в годы исследования 70
2.5 Объекты исследований 73
2.6. Сроки отбора образцов 74
2.7. Методы исследования 75
2.7.1. Методика учета урожая 75
2.7.2. Методы анализа почвенных образцов 79
ГЛАВА 3. РЕЛЬЕФ И СТРУКТУРА ПОЧВЕННОГО ПОКРОВА УЧАСТКА
ГЛАВА 4. ХИМИКО-АНАЛИТИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ПОЧВЕННОГО ПОКРОВА И ПЛОДОРОДИЯ УЧАСТКА
4.1 Агрохимические данные почвенных образцов в разрезах и прикопках
4.2 Влияние элементов рельефа и экспозиции склона на свойства почвы
4.3 Выделение однородных контуров по показателям плодородия почв
4.3.1 Сравнение контуров плодородия, выделенных по свойствам почв
ГЛАВА 5. КОМПЛЕКСНАЯ ОЦЕНКА ПЛОДОРОДИЯ ПОЧВ 117
5.1 Урожайность и химический состав многолетних трав 117
5.2 Изолинии урожайности - сопоставление с элементами микрорельефа и контурами плодородия
5.3 Комплексная оценка плодородия почвы и ее связь с урожайностью
ВЫВОДЫ 132
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 136
ПРИЛОЖЕНИЯ 158.
- Плодородие почв в зависимости от расположения на склоне
- Погодные условия в годы исследования
- Агрохимические данные почвенных образцов в разрезах и прикопках
Введение к работе
Актуальность темы. Неоднородность почвенного покрова - одно из его фундаментальных свойств, обусловленное природной и, антропогенной неоднородностью комплекса факторов почвообразования. Разграничение двух глобальных видов неоднородности почвенного покрова (по Докучае-ву,(1985) география и топография почв) разработано Фридландом (1977). Первый из них характеризуется крупными размерами, уникальностью входящих в него компонентов, полигенетичностью почвенного покрова, отсутствием, генетических связей между компонентами. Второй- структура почвенного покрова (СПП) имеет значительно меньшую площадь, множество ритмически І повторяющихся і компонентов, единство генезиса, наличием связей между компонентами.
Закономерности распределения и варьирования основных свойств почв в пределах макро- и микрорельефа, а также по профилю почв оказывают существенное влияние на эффективность использования; и воспроизводства плодородия; почв. Лесостепь Среднего Поволжья характеризуется высокой пестротой почвенного плодородия (Денисова, 1976; Денисова, 2003; Лобов и др.,1985; Надежкин,1999; Почвы Куйбышевской области; Почвы Пензенской области,1984) характерной даже для небольших участков и полей. Это выявлено и в других зонах Черноземной полосы России, что подтверждено при детальном анализе почвенного покрова (Дайнеко, Нешатаев, 1973; Кузнецова, Савин, Силаков, Коновалов, 1993; Сорокина, Когут,1997)
В лесостепи Среднего Поволжья широко развиты эрозионные и другие процессы;деградации черноземов (Гальдин, Антонов, Китаєва, 1991; Ломов, Войтанник, 2001), что существенно усложняет структуру почвенного покрова и требует дифференцированного применения технологий земледелия, с адаптацией их к внутрипольной пестроте плодородия и агроэкологическим свойствам почвы.
Поэтому выявление и оценка неоднородности почвенного покрова, ее интерпретация и учет необходимы как для понимания процессов, происхо дящих в почвах, так и для разработки дифференцированного использования сельскохозяйственных земель, и повышения эффективности земледелия І в целом, а также являются составной частью при организации почвенного мониторинга.
Цель и задачи исследований. Целью исследований является выявление влияния природной и антропогенной неоднородности, почвенного покрова на экологические аспекты формирования свойств почв и продуктивность многолетних трав в условиях выщелоченных черноземов правобережной лесостепи Среднего Поволжья.
Задачи исследований:
1) Дать характеристику почвенного покрова и микрорельефа опытного участка.
2) Изучить пространственную неоднородность основных показателей почвенного плодородия.
3) Определить влияние рельефа на дифференциацию физико-химических и агрохимических свойств почв по различным элементам склона.
4) Дать экологическую оценку пространственной неоднородности формирования урожая• многолетних трав в зависимости от структуры почвенного покрова.
5) Дать комплексную оценку связи урожайности многолетних трав с основными свойствами почв на различных элементах рельефа с учетом,неоднородности почвенного покрова.
Научная новизна. Впервые в условиях правобережной з лесостепи Среднего Поволжья проведена агроэкологическая; оценка неоднородности почвенного покрова на основании изучения пахотного и г подпахотного горизонтов почвы.
Выявлена связь показателей плодородия почвы, с формированием-урожая многолетних трав в зависимости от элементов микрорельефа. Апробирована и впервые использована новая методика выделения контуров; плодородия с использованием методов геостатистики. Проведена комплексная эколо гическая оценка плодородия почв дифференцированно в зависимости от микрорельефа опытного участка и выявлены лимитирующие факторы плодородия.
Практическая1 значимость. На основании проведенных исследований разработаны рекомендации для уточнения способа отбора образцов почвы на опытных участках с последующей обработкой полученных результатов с использованием методов геостатистики.
Результаты исследований рекомендуется использовать при проведении комплексной оценки плодородия почв для оценки продуктивности и стоимости земель.
Установленные закономерности направленности изменений пространственной неоднородности в зависимости от положения на рельефе рекомендуется (целесообразно) использовать при разработке технологии координатного (прецизионного) земледелия и в первую очередь для устранения различий элементов почвенного плодородия.
Положения выносимые на защиту
1) Методика выделения контуров плодородия почвы.
2)Определение характера, формы и направленности связи между основными элементами плодородия почвы и урожайностью многолетних трав.
3) Комплексная оценка плодородия почв опытного участка по урожайности и химическому составу, многолетних трав.
Апробация работы. Результаты исследований ежегодно, в течение 2001 -2003 гг. докладывались на заседаниях отдела агропочвоведения Почвенного института им. ВВ. Докучаева. Работа была доложена на Международных, Всеросийских и региональных конференциях (Москва, ВИУА, 2002, Пенза, 2002-2004).
Публикации результатов исследований: По материалам исследований опубликовано 7 работ.
Плодородие почв в зависимости от расположения на склоне
Благоприятные агрофизические, агрохимические и биологические свойства почв являются необходимыми условиями, определяющими! плодородие и получение высоких и стабильных урожаев сельскохозяйственных культур (Лепилин,1989). В процессе сельскохозяйственного использования плодородие почв склонов претерпевает ряд изменений, объем и характер которых зависит от агроэкологических условий ландшафта (Балашкина, Кононов, 1988, Ахтырцев, Лепилин, 1991). Адаптированные к местным условиям подходы и технологии: дифференцированного использования сельскохозяйственных земель, нашли отображение в целой серии теоретических и методических работ по земледелию на ландшафтной основе (Агроэкологическая группировка..., 1995; Карманов, Булгаков, 1997;Кирюшин, 1993; Концепция формирования..., 1993; Методика разработки систем земледелия..., 1996). В; США и европейских странах технологии дифференцированного использования сельскохозяйственных земель уже доводятся до уровня внутрипольной дифференциации - под названием «прецизионного земледелия» или «управления локальными ресурсами» (Mulla, 1996; Searcy, Schueller, Bae, Borget, Stout, 1989; Schroeder, Haneklaus, Schnug, 1997; Schnug, Murphy, Evans Haneklaus, Lamp, 1993; Thompson; Robert, 1994; Walter, Hofman, Backer, 1996).
Центральная; часть чернозем ной зоны России характеризуется высокой пестротой почвенного покрова (Ахтырцев, Сушков, 1983; Ахтырцев, Со-ловиченко, 1988). Она характерна даже для небольших участков и полей. Это показали многочисленные исследования, проводившиеся в крупном и детальном масштабе на территории Курской области (Васенев, Дегтева; Шредер, 1998; Дайнеко, Нешатаев, 1973; Денисова, 1967; Кузнецова, Савин, Си-лаков, Коновалов, 1993 ;Сорокина, 1976; Сорокина, Когут, 1997, Фридланд, Столбовой; 1973). Влияние подобной пестроты почвенного покрова на значительное варьирование урожайности в пределах одного поля неоднократно выявлялось исследователями соседних природных зон (Березин, 1973; Денисова, 1976; Нестеровский, Яцухно, 1983; Прохорова,.Сорокина, 1975; Фрид-ланд,1984; Searcy, Schueller, Bae, Borget, Stout, 1989). Эта проблема стала актуальна и для ЦЧЗ, где: широкое развитие эрозии и других процессов деградации черноземов (Агроэкологическое состояние черноземов; ЦЧО, 1996; Щербаков, Васенев, Козловский, Крупеников; Лебедева, Щеглов, 1996) существенно усложняет структуру почвенного покрова и требует дифференцированного применения технологий земледелия, с адаптацией их к внутри польной пестроте плодородия, агротехнических и агроэкологических свойств почв (Антропогенная эволюция черноземов, 2000).
На примере двух участков заповедников Островцовского и Кунчеров-ского, находящегося в пределах одной почвенно-климатической провинции (Окско-Донская) выявлено, что любое: изменение рельефа; и растительности влечет за собой заметные изменения характера почвообразования; В профиле почв, занимающих разные элементы рельефа, обнаруживаются разные признаки полицикличности ее развития (Дюкова, 2003).
В познание явления пространственной неоднородности почв внесли многие исследователи, среди них В.М; Фридланд, Е.А. Дмитриев, ФИ. Козловский, И. А. Крупенников, Б.Г. Розанов и другие.
Под агроэкологическими условиями понимают естественное и искусственное перераспределение в ландшафте солнечной радиации, температуры и влажности воздуха, осадков и влаги, силы и направления ветра, минеральных питательных веществ под воздействием рельефа и экспозиции полей, а также хозяйственной деятельности человека, определяющих уровень продуктивности сельскохозяйственных угодий, эффективное плодородие почв.и устойчивость агроэкосистем (Агроэкологическое состояние черноземов ЦЧО,1996;Адерихин,1983).
В;настоящее время сформирована теория агроэкологической неравнозначности склонов, различающихся протяженностью, формой, крутизной и экспозицией. Склоны полярных экспозиций существенно различаются по количеству поступающей солнечной радиации, запасам воды в снеге, поверхностному стоку и смыву почвы, температурному, водному и питательному режимам:почвы, что в конечном итоге сказывается на плодородии почвы, эффективности удобрений и урожайности полевых культур (Жежер, 1983).
На территории Центрально-Черноземных областей южные склоны по сравнению с северными характеризуются меньшим накоплением снега, частыми оттепелями и большей интенсивностью снеготаяния. В силу этого водная эрозия значительно сильнее проявляется на склонах южных экспозиций, в связи с чем на них формируются почвы со смытым гумусовым горизонтом или пониженным содержанием гумуса. Особенно сильно проявляется эрозия на склонах южной экспозиции крутизной свыше 5. На склонах северной экспозиции мощность гумусированных слоев равна мощности аналогичных слоев профиля почв на водоразделе или даже превышает ее, т.е. несмытые почвы занимают приводораздельные части склонов северной экспозиции и территории плато (Адерихин, Санталов, 1981, Ахтырцев, Лепилин, 1983, Козлов, 1953).
Протяженность и крутизна склона способствует увеличению эрозии почвы в период снеготаяния.
В зимний период в нижней части склона формируется более мощный снежный покров превышающий на 15-17 см запасы снега в средней и верхней части, причем различия в снежном покрове как по годам, так и по длине склона обусловливают варьирование глубины промерзания почвы (Брауде, 1965).
Смыв почвы на стоковых площадках при увеличении их длины возрастает не всегда одинаково. Если стоковая площадка занимает половину длины склона и размещается вниз от водораздельной линии, то смыв почвы с нее составляет 37% от смыва со всей длины склона, а при ее размещении в центре склона потери составляют 61% (Фролов, 1961).
Существенное развитие эрозии на более длинных стоковых площадках определяется особенностями формирования ручейковых систем в момент интенсивного таяния снега. В местах препятствий наблюдается незначительная аккумуляция наносов, что характерно для верхней и средней части склона. На склонах северной экспозиции высвобождение от снега происходит обычно в направлении бровки балки, поэтому можно ожидать соответственно уменьшения смыва почвы. (Пружин, 1983)
Погодные условия в годы исследования
Климат. Климатический режим лесостепи формируется в основном под влиянием атмосферных процессов со стороны Атлантического океана, приносящего влагу и смягчающего температурные колебания, и обширного Азиатского континента, перегретого в летний сезон и переохлажденного зимой. Эти влияния проявляются территориально неравномерно и изменчиво во времени при общей закономерности последовательного нарастания температур воздуха и уменьшения количества осадков с севера на юг и с запада на восток. В целом же климат континентален: ему свойственны резкие температурные контрасты, дефицит влаги, интенсивная ветровая деятельность, высокая инсоляция.
Общие климатические условия характеризуются значительными амплитудами колебаний в отдельные периоды года: лето с максимальной температурой 33-41 С, зима до минус 35-47 С,.с оттепелями, метелями, короткая, интенсивно протекающая весна. Основные климатические показатели представлены в табл: 3: Самым холодным месяцем в году является январь со средней температурой воздуха - минус 11-14 С, самый жаркий июль - + 1.9-19,3 С. Средняя продолжительность устойчивого снежного покрова 128-142 дня, высота его 30-52 см.
Количество осадков сравнительно невелико, что характерно для континентального климата. Больше всего их выпадает на севере и западе зоны. Максимум осадков приходится на июнь-июль месяцы, весной их меньше. В отдельные годы максимум осадков смещается на осенние месяцы. Засухи и суховеи, характерные для весенне-летнего периода - обычное явление в этой зоне, периодичность их повторения - три в течение пяти лет. Бывают годы с засушливыми периодами, когда в течение нескольких месяцев осадки не выпадают совсем (1972, 1975, 1988, 1998, 2002 гг.).
Если учесть, что в июне происходит колошение и цветение озимой ржи, трубкование яровых зерновых культур, т.е. идет интенсивный рост надземной массы и растения особенно требовательны к влаге, июньские засухи наносят существенный ущерб урожаям. Следует отметить, что летние осадки выпадают в виде ливней, поэтому коэффициент полезного действия их очень низкий. Большая часть осадков стекает в овраги и балки, способствуя развитию эрозионных процессов. Запасы влаги в почве создаются за счет осенних и зимних осадков.
Метеорологические условия вегетационного периода в годы исследований различались между собой (табл.6 и приложение 1,2).
2001 год характеризовался неустойчивостью погодных условий. За весь вегетационный период выпало 229 мм осадков, основная часть (138 мм) которых выпала в июне. Июнь отличался от среднемноголетних пониженной на 1,1 С температурой воздуха. В июле выпало 32,4 мм осадков вместо 61,8 мм по-норме и-температура-воздуха-была-на-3,-1 G выше среднемноголетних показателей. В августе выпало 86,3 мм осадков вместо 49,6 мм по норме, а температура воздуха была ниже на 1,3С.
В 2002 году в мае выпало 47,5 мм осадков, что составило 109,4% от нормы, в июне - 66,8 мм, или 133,9% от среднемноголетних значений. При этом среднемесячная температура была ниже нормы на;2,8 и 2,0С. Июль был жарким и засушливым - количество осадков составило лишь 6,6% от среднемноголетних значений, а среднемесячная температура была выше нормы на 3,3С. . В августе выпало 25,3 мм осадков вместо 53,6 мм по норме, а температура воздуха была ниже на 2,9 С.
Вегетационный период 2003 года сложился более благоприятно, чем в 2002 году. В 2003 году количество выпавших осадков за вегетационный период май - август составило 376,9 мм, против 204,7 мм среднемноголетних. Май отличался от среднемноголетних повышенными температурами на 0,9 С и количество осадков составило 72,9% от среднемноголетних. В июне выпало осадков на 61,7 мм больше и температура воздуха была ниже на 3,3" С среднемноголетних показателей. В июле и августе выпало двойная норма осадков от среднемноголетней, что в сочетании с благоприятными температурами воздуха (средняя температура в июле - 19,4 С и августа - 17,5 С), оказали положительное воздействие на рост, развитие и накопление питательных веществ многолетними травами .
Агрохимические данные почвенных образцов в разрезах и прикопках
Изучение агрохимических свойств почвы опытного участка выявило значительные различия в пределах одной катены, в зависимости от расположения на склоне. Анализ данных, полученных по результатам позволил выявить следующие особенности. В наибольшей мере процессы биогенной аккумуляции органического вещества и биогенных элементов проявляются в верхней части плато (разрез 2). Содержание гумуса в слое 0-20см составило 6,4%, щелочногидролизуемого азота - 232 мг/кг почвы, в разрезе 1 соответственно 6,2% и 212 мг/кг . Что касается нижней части склона (разрез 3), характеризующейся средней емкостью, содержание гумуса даже в слое 0-20 см составило всего 4,6 %,азота- 182 мг/кг почвы (рис.7 , приложение 3). Внутрипрофильное распределение гумуса характеризуется постепенным снижением в разрезах 1 и 2 и резким в разрезе 3, что согласуется с результатами морфологического описания почв.
Содержание подвижного фосфора в пахотном слое разрезов 1, 2 и 4 характеризуется как среднее, а в разрезе 3 как низкое. Вниз по профилю наблюдается существенное снижение его количества.
Что касается обменного калия, извлекаемого по методу Чирикова, то слой 0-20 см всех разрезов характеризуется повышенным его содержанием, а с глубины 40 см - средним (рис. 7, приложение 4).
По кислотным свойствам изученные почвы в слое 0-20 см относятся к слабокислым. Профильное распределение рН характеризуется ростом его значений и на глубине 60-80 см почва становится нейтральной.
Аналогичная картина отмечена и для гидролитической кислотности -в слое 0-20 см кислотность составляет 5,98-6,8 мг-экв/100 г почвы, а вниз по профилю она снижается до 3,40-4,48 мг-экв/100 г почвы. Вместе с тем, даже при рНС0Л больше 6 единиц величина гидролитической кислотности остается весьма существенной (табл. 9 ).
Содержание обменно-поглощенных кальция и магния максимально в слое 0-20 см и составляет 30,1 - 34,4 мг-экв/100 г почвы. Наибольшее их количество выявлено в разрезе 2, а наименьшее - в разрезе 3. Вниз по профилю оно несколько снижается (табл. 10 ).
Таким образом, почвы опорных разрезов, заложенных в пределах одной катены, существенно различаются по агрохимическим и физико-химическим свойствам. Наибольшим содержанием гумуса и биогенных элементов характеризуется почва в верхней части плато, а наименьшим - в нижней части склона.
Изучение физико-химических свойств пахотного и подпахотного слоев чернозема выщелоченного, проведенное по трансектам 2 и 3 выявило существенные различия как в зависимости от глубины отбора образцов, так и от положения на мезо-и микрорельефе.
Содержание гумуса максимальное на трансекте 2 характерно для водораздела и колеблется от 6,28 до 6,77 %, минимальное в нижней части склона 5,12 %. В верхней части южного склона гумуса - 6,30 % , северного - 5,89 , в средней части южного склона 5,96, северного- 5,64 , в нижней части склона соответственно 5,54 и 5,42 % (табл.11, рис. 8,).
На трансекте 3 наблюдаются аналогичные изменения содержания гумуса: На водоразделе оно колеблется от 6,24 до 6,68% . По сравнению с трансектой 2 эти величины несколько ниже. Нижняя часть склона трансекты 3 характеризуется наименьшей гумусированностью. В целом содержание гумуса на трансекте 3 несколько ниже, по сравнению с трансектой 2. Изменение содержания гумуса вниз по профилю также зависит от расположения на склоне. Если рассматривать его в зависимости от экспозиции склона, то южный склон имеет несколько более высокую гумусирован-ность, чем» северный.
На водоразделе профильное распределение содержания гумуса более равномерное, чем в нижней части склона, в нижней части склона снижение гумуса резкое.
Содержание фосфора максимальное на водоразделе трансекты 2, оно колеблется от 73 до 86 мг/кг почвы, а минимальное в нижней части склона -61 мг/кг почвы (табл.11, рис. 9).
Содержание фосфора в трансекте 3 изменяется аналогично трансекте 2. Вниз по профилю содержание фосфора снижается резко как на водоразделе, так и на склонах;
Содержание калия на водоразделе трансекты 3 немного выше, чем на трансекте 2 и составляет соответственно 95-99 мг/кг почвы и 87 -96 мг/кг почвы. В нижней части склона трансекты 2 содержание калия 74 мг/кг, а трансекты 2 - 77 мг/кг (табл.11, рис. 10). Профильное распределение калия характеризуется резким снижением вне зависимости от нахождения на рельефе.
