Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Гумусное состояние почв зоны полупустынь 8
1.1 Формирование и классификация почв аридной зоны 8
1.2 К вопросу изученности гумусного состояния почв аридных территорий 17
ГЛАВА 2 Объекты и методы исследования 37
2.1. Географическое положение и рельеф Астраханской области 37
2.2. Климат Астраханской области 42
2.3. Гидрология 47
2.4. Почвы Астраханской области 49
2.5. Объекты исследования 56
ГЛАВА 3 Гумусное состояние почв экологической катены бугра Бэра и межбугрового понижения 62
3.1. Гумусное состояние некоторых почв Астраханской области 62
3.1.1 Органическое вещество бурых полупустынных почв 65
3.1.2 Органическое вещество солончака переходного от полупустынного к луговому 68
3.1.3 Органическое вещество солончака лугового гидроморфного 71
3.1.4 Органическое вещество торфяно-болотной глеевой засоленной почвы 74
3.1.5 Органическое вещество солончака лугового оглееного 79
ГЛАВА 4 Влияние экологических факторов на гумусообразование зональных и интразональных почв Астраханской области 86
Заключение 99
Выводы 103
Список используемой литературы 105
Приложение 121
- К вопросу изученности гумусного состояния почв аридных территорий
- Климат Астраханской области
- Почвы Астраханской области
- Органическое вещество солончака переходного от полупустынного к луговому
Введение к работе
Актуальность темы исследования
Изучение качества и объективная оценка почв важнейший этап в установлении уровня их плодородия и практического использования. В связи с принятием Закона о земле, одним из главных показателей оценки состояния почвы становится содержание в ней гумуса.
При формирование гумусовых горизонтов почв происходит образование специфических почвенных органических соединений (гумусовых веществ). Гумус определяет гидрофобность и гидрофильность почв, сохранение в почвах необходимого запаса азота, уровень содержания питательных элементов в почвах. Процесс гумусообразования - один из центральных в наземных экосистемах, и его экологическая роль очень высока. Гумус влияет на жизнь биоты в почве, на экологические функции почвы, на поддерживание равновесного состояния в почвах, препятствуя их деградации.
Органическое вещество в большой степени определяет биологические, химические и физические свойства почв и, в конечном счете, является интегральным показателем плодородия почвы.
Работами И. В. Тюрина, М.М. Кононовой и других исследователей установлено, что типы и подтипы почв различаются не только по запасам гумуса, но и по его качественному составу и по формам состояния главных групп гумусовых веществ, и что роль гумуса в плодородии почв различна.
Д. С. Орловым создана теория зависимости содержания и состава гумуса от продолжительности биологически активного периода
В области исследований гумусного состояния почв аридной зоны накоплен значительный материал. Однако данные по гумусному состоянию почв с учетом экологических особенностей Астраханской области практически отсутствуют.
Цель работы
Цель настоящей работы - изучение общего содержания углерода гумуса, его фракционного состава, общего азота зональных и интразональных почв Астраханской области.
Задачи: систематизация и обобщение литературных данных по гумусному состоянию почв аридной зоны; изучение природы органического вещества и гумуса зональных и интразональных почв Астраханской области; определение влияние растительных сообществ, гидрологического режима и особенностей мезорельефа на динамику и природу органического вещества почв.
Научная новизна
Установлено, что в бурых полупустынных почвах на буграх Бэра состав гумуса фульватный, в понижениях около бугра -фульватно - гуматный. В пределах одних климатических условий добавочное увлажнение увеличивает продолжительность биологического периода, способствует накоплению гумуса и гуминовых кислот.
В пределах проективного покрытия растительного покрова до 50% содержание гумуса остается постоянным. Увеличение покрытия свыше 60% приводит к заметному возрастанию содержания гумуса в почвах.
Установлено, что закрепленный на почвенных частицах гумус имеет тот же ИК-спектр, что препараты гумина и гуминовых кислот.
Практическая значимость
Установлено распределение гумуса по катене от вершины бугра Бэра до межбугрового понижения.
Разработан метод определения степени закрепления гумуса почвой.
Методика исследований
При выполнении экспериментальной части работы была использована большая группа методов.
Для изучения химических свойств использовали методы: определение общего углерода гумуса - по Тюрину, качественный состав гумуса определяли по ускоренному пирофосфатному методу Кононовой -Бельчиковой, азот - по Бондоренко и Харитонову, с использованием ионоселективного электрода. Оптическую плотность гумусовых веществ определяли на спектрофотометре Unico - 1200. ИК спектры записаны на спектрофотометре ИКС-29 в интервале 4000-1200 см-1 в суспензии вазелинового масла.
Апробация
Материалы диссертации доложены и обсуждены на международных и российских научных конференциях: Всероссийская научная конференция VIII Докучаевские молодежные чтения «Органическое вещество почв наземных экосистем», (Санкт-Петербург, 2005), Международная научная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов-2005», (Москва, 2005), VIII Международной научной конференции «Эколого - биологические проблемы бассейна Каспийского моря», (Астрахань, 2005), Всероссийская научная конференция IX докучаевские молодежные чтения «Почвы России. Проблемы и решения», (Санкт-Петербург, 2006).
Публикации
По теме диссертации опубликовано 7 работ. Структура и объем работы
Диссертационная работа изложена на 120 страницах и состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы из 121 наименования (114 российских и 7 зарубежных авторов) и приложения, включает 11 рисунков и 12 таблиц.
К вопросу изученности гумусного состояния почв аридных территорий
Одним из важнейших оценочных показателей плодородия почв является содержание органического вещества (гумуса). Высокая гумусированность почв обеспечивает и создает благоприятный водный и воздушный режимы. При минерализации гумуса освобождаются и используются растениями необходимые питательные вещества, приземный слой обогащается углекислотой, без которой не могут нормально протекать процессы фотосинтеза. Изучение почв аридных регионов непосредственно связано с освоением земель для нужд сельского хозяйства. Плодородие почвы является важнейшим интегральным показателем ее режимов, обусловленном в значительной степени параметрами и свойствами гумуса. В основе устойчивого функционирования природных экосистем лежат процессы продуцирования, трансформации и транспорта органических веществ. Они или непосредственно формируют систему биохимических циклов всех элементов в экосистемах, или косвенно влияют на нее (Ковда, 1985; Добровольский, 198 6; Орлов, 1990; Фокин, 1994). Для формирования экологически оптимальной обстановки в агроэкосистеме необходима оценка изменения отдельных составляющих гумуса, различающихся по запасам, структурному и химическому составам и степени минерализуемости. Органическому веществу принадлежит ведущая роль в формировании плодородия почвы и обеспечении устойчивой продуктивности полевых культур при неблагоприятных погодных условиях. При этом важным является поиск эффективных путей регулирования гумусного режима и обеспечение максимальной отдачи вводимой в агроценоз антропогенной энергии (Багаутдинов, 1997). Вопросами гумусообразования и качественных особенностей гумуса различных почвенно климатических зон занимались многие ученые почти всех стран мира. В нашей стране детальные исследования гумуса проводили В.В. Докучаев, П.А. Костычев, В.Р. Вильяме. Наиболее обширные исследования почвенного органического вещества в 30 60 гг XX века принадлежат И.В. Тюрину, Л.Н. Александровой, В.В. Пономаревой, М.М. Кононовой, А.Н. Розанову, Н.П. Бельчиковой. В монографиях И.В. Тюрина и М.М. Кононовой приводится большой материал о природе и качественном составе гумуса многих почвенных типов, обобщен имеющийся фактический материал как отечественных, так и зарубежных исследований об органическом веществе почв.
Устойчивое землепользование связано с поиском оптимального соответствия между земельными ресурсами и режимом землепользования. Во многих развивающихся странах создание информационных систем ограничивается нехваткой базовых данных и информации о почвах, растительности. В последние годы работы по составлению карт почвенных, растительных, земельных ресурсов оказались заброшенными.
Имеются многочисленные работы по гумусному состоянию почв аридных регионов. Приведем выдержки некоторых из них. В археологических экспедициях на территории Ергеней, Кумо-Манычской низменности и Прикаспия изучали голоценовые палеопочвы. сохранившиеся от древних эпох почвообразования. Возраст голоценовых палеопочв авторы определили как сравнительно молодой (3-5 тыс. лет до н.э.). Почвы сформировали на лёссовидных суглинках. Для почвообразовательных процессов фоновых светло-каштановых солонцовых почв в северной части Кумо-Манычской впадины характерно ослабленное образование и накопление гумуса, усиленное проявление солонцеватости, миграция карбонатов в почвенном профиле, образование карбонатного горизонта, засоление почв и почвообразующих пород легкорастворимыми солями. Комплексы почв представлены зональными светло-каштановыми солонцеватыми среднесуглинистыми почвами, солонцами, каштановыми почвами. Приведены сравнения палеопочв с современными по диагностическим признакам (Цуцкин, 2001) .
В I960 - 1973 годах были проведены комплексные исследования пустынных почв равнинного Туркменистана материалы которых изложены в монографии (Санин, 1977). В данной работе рассматриваются количественные материалы о накоплении органического вещества, качественная характеристика гумуса, о влиянии различных пустынных растений на процессы гумусообразования (на примере песчаной пустынной почвы), а также о влиянии различной культуры орошаемого земледелия на гумусонакопление (на примере такыровидной почвы).
Анализируя фактический материал, автор отмечает, что все типы пустынных почв Туркмении чрезвычайно бедны гумусом и, как следствие этого, азотом. Предельно низким содержанием органического вещества характеризуются песчаные пустынные почвы. Только в отдельных случаях содержание органического вещества увеличивается до 0,5%, и то лишь в верхнем горизонте (до глубины 8-10 см) . К низу по профилю валовое содержание органического вещества резко падает, и находится примерно на уровне 0,10-0,15%. Подобная картина характерна для других районов Туркмении, а в почвах Центральных Каракумов содержание органического вещества еще ниже.
Климат Астраханской области
Незащищенность территории позволяет беспрепятственно проникать на Нижнюю Волгу массам воздуха как арктического, так и тропического происхождения, за исключением морского тропического воздуха, который из-за Кавказских гор никогда не проникает в Астраханскую область. Орографические условия Нижнего Поволжья не могут влиять на перенос воздушных масс, поэтому главным фактором, обуславливающим режим осадков Астраханской области, является циркуляция воздушных масс. Осадки в основном вызываются прохождением циклонических возмущений (Жилкин, 2003)
В дельте Волги климат формируется под влиянием азиатского антициклона. Особенно это проявляется в холодную половину года. Равнинность рельефа не изменяет общей циркуляции входящих потоков, а большое количество водоемов создает особый мезоклимат. Продолжительность солнечного сияния - до 2400 ч/год. Суммарная солнечная радиация достигает 118 ккал/см2. Сумма температур воздуха выше 10 С составляет 3500— 3600. Продолжительность теплого периода более 250 дней. В среднем за год выпадает 167 мм осадков, в основном в виде летних ливней. Бывают ливни, дающие до 39 мм осадков в сутки, но, выпадая на прогретую солнцем почву, они почти целиком испаряются и поэтому их роль в увлажнении почвы незначительна. Вследствие высокой летней температуры, большого количества солнечных дней велико испарение с водной поверхности. Общая годовая испаряемость составляет до 1177 мм. Все это определяет сухость воздуха, почвы и частоту засух.
Недостаток влаги и высокая сухость воздуха связанны с большой удалённостью территории области от Атлантического, Тихого и Индийского океана. Кроме того, между территорией Астраханской области и океанами расположены горные массивы. Они задерживают осадки, что вызывает ещё больший недостаток влаги.
Влажность воздуха зависит, прежде всего, от количества водяного пара, поступающего в атмосферу путем испарения с земной поверхности. В то же время, влажность воздуха зависит от атмосферной циркуляции и какие воздушные массы: сухие или влажные, приносят воздушные течения.
Ветровой режим характеризуется в основном ветрами умеренной силы. В течение года преобладают ветры восточного направления с повторяемостью до 31,8%. Значительную повторяемость (до 14,8%) имеют также северо-восточные и северо-западные ветры. Наиболее часты ветры со скоростью 4-8 м/с (до 45,5%) и 1 - 3 м/с (31,5%). Повторяемость штилей в году до 18,2%. Штормовые ветры со скоростью 14 м/с в среднем в году составляют 5,1%, чаще бывают зимой (до 8,5%). Наибольшей силой обладают ветры западных направлений, скорость их достигает 34 м/с.
Сильные теплые восточные ветры - суховеи приносят из пустынь Средней Азии песок и пыль. Эти ветры преобладают в летнее время. Зимой преобладают воздушные массы, поступающие из северных широт. Они приносит сухие сильные морозы зимой, а летом понижают температуру. Западные ветры приносят облачные осадки. Средняя годовая температура воздуха с юга на север понижается от 10С до 8С. Самый холодный месяц - январь. Средняя температура воздуха до минус 5 - 9 Самая высокая средняя температура 24 - 25 С отмечается в июле. Амплитуда самого холодного и самого теплого месяцев составляет 29 - 34 С, что свидетельствует о высокой континентальности климата (Ушаков, 1996) .
Зима в дельте наступает в начале декабря и продолжается до второй половины марта. В январе и феврале среднемесячная температура воздуха составляет минус 4,1С, в отдельные годы она понижается до минус 13 или повышается до 1 1,5С. Минимальная температура воздуха нередко составляет минус 4 0 35 С. Обычны для зимы и оттепели. Преобладают преимущественно холодные восточные ветры. Снежный покров бывает неустойчивым, временами он сходит совсем. Чем тоньше снежный покров зимой, тем сильнее промерзание почвы при прочих равных условиях. Снежный покров охлаждает воздух. Над ним образуются приземные радиационные инверсии температуры. Зима считается с устойчивым снежным покровом, если снежный покров залегал более одного месяца непрерывно или с перерывами, но не более двух дней. Характерной особенностью зимнего периода Астраханской области является неустойчивость залегания снежного покрова. Только на севере области почти ежегодно, но на короткое время, устанавливается постоянный снежный покров, а в южной половине области 63% зим имеет неустойчивое снегозалегание.
Весна начинается во второй половине марта. Это наиболее короткий сезон года. Средняя температура воздуха составляет 7 - 8С, в отдельные годы до 12 -14 или 5 - бС. Максимальные температуры бывают до 35 С. Осадки редки и выпадают в случае прорыва южнокаспийских или средиземноморских циклонов. Лето наступает в первых числах мая. Это сухой, знойный и очень пыльный период. Средняя температура воздуха - 21,8С, абсолютный максимум до 45С. Осадки носят преимущественно ливневый характер, выпадает до 72 мм за сезон.
Почвы Астраханской области
Почвенный покров характеризуется большим разнообразием и пестротой. Он представлен как высококонтрастными сочетаниями и комплексами малопродуктивных засоленных, солонцеватых, слитых и заболоченных почв, занимающих около 80% территории, так и относительно плодородными массивами зональных и аллювиальных почв поймы и дельты Волги. Почвенный покров области формируется за счет основных почвообразующих факторов: подстилающей поверхности, рельефа и климатических условий, а в последние годы -за счет антропогенного влияния.
Волго-Ахтубинская пойма и дельта представляют собой интразональную территорию, несущую печать окружающих их зон, но в связи с гидрологическим режимом имеют и резкое от них отличие. Границу зон необходимо проводить по нулевой изогибсе - береговой линии позднехвалынского моря.
Более 2-х млн га территории зоны в пределах Астраханской области занято песками, который Л.С. Бэрг (1960) назвал песчаными пустынями. Пески большей частью закреплены растительностью, но имеются и открытые песчаные массивы.
Обе зоны, за исключением песчаных массивов характеризуются пятнистым почвенно-растительным покровом. На сегодняшний день территория Астраханской области по климатическим условиям и особенностям почвенно-растительного покрова делится на пять природных зон: 1. Полупустынная зона светло-каштановых почв. Климат зоны отличается континентальностью и сухостью. Осадков за тёплый период года (апрель-октябрь) выпадает 145-195 мм. В почвенном покрове пашни преобладают светло-каштановые почвы и солонцы каштановые. 2. Полупустынная зона бурых почв. Климатические условия зоны отличаются большой континентальностью и сухостью. На тёплый период года приходится 100-160 мм осадков. Почвенный покров пахотных земель на две трети представлен бурыми полупустынными почвами. 3. Зона подстепных ильменей. В зону входит полностью территория западных подстепных ильменей. По климатическим условиям зона занимает промежуточное положение между дельтой Волги и прилегающими пустынями. Осадков за тёплый период выпадает 100-114 мм. В почвенном покрове доминируют бурые полупустынные, ильменно-луговые и пойменные почвы. 4. Дельта. Грунтовые воды залегают на глубине 1,5-2,5 м. В дельте Волги формируется особый микроклимат, характеризующийся жарким летом и умеренно мягкой зимой. Осадков за тёплый период года выпадает всего 93-109 мм. В почвенном покрове пашни преобладают пойменные и бурые полупустынные почвы Бэровских бугров. 5. Волго-Ахтубинская пойма. Грунтовые воды залегают высоко, на глубине 1,5-2,5 м. Годовое количество осадков увеличивается с юга на север. За тёплый период года их выпадает 105-189 мм. Среди пахотных земель наиболее характерны пойменные и ильменно-луговые почвы.
На формирование комплексного почвенно-растительного покрова оказывают влияние и условия аридного типа климата. В зависимости от водных свойств почвогрунтов и литологического состава создаются западинки, блюдца - формы микрорельефа. На различных формах микрорельефа создаются неодинаковые условия водносолевого режима, способствующие рассолению или засолению территории. Здесь формируется свой микроклимат и свой почвенно-растительный покров (Волынкин, 1966).
Дельту Волги по изменению почвенного покрова можно разделить на две большие части: почвы древней дельты и молодой. В дельте скорость течения замедляется, и почвы древней дельты по механическому составу тяжелые, плотные. Дельта занимает пониженное положение, что обуславливает большое увлажнение, вызываемое более длительным и глубоким затоплением, с одной стороны, и и близостью грунтовых вод, что приводит к большой заболоченности и формированию болотных почв. Эти почвы характеризуются сильной увлажненностью горизонтов, иловым составом, сизовато-голубыми тонами и неясно выраженной структурой.
Органическое вещество солончака переходного от полупустынного к луговому
Почвенный покров бугров Бэра характеризуются бурыми полупустынными почвами. Содержание гумуса в верхних горизонтах варьирует в пределах 0,9 - 1,16%. В качестве примера приведем основные характеристики одного из разрезов вершины бугра Бэра Большой Барфон. Растительность: доминантными видами в растительном сообществе данного местообитания являются Anabasis salsa, Eremopyrum triticeum. Общее проективное покрытие площадки 35 %, средняя высота травостоя 10 см. Флористический состав исследованного участка представлен:
Anabasis salsa (С.А.Меу.) Benth. ex Volkens. Анабазис солончаковый. На бэровских буграх. Хамефит, полукустарник. Лекарственное, ядовитое. Camphorosma monspeliaca L. - Камфоросма монпелийская. На бэровских буграх. Хамефит, кустарничек. Кормовое. Eremopyrum orientale (L.) Jaub. & Spach. - Мортук восточный. На бэровских буграх, сухих лугах, гривах. Терофит, однолетник. Кормовое. Eremopyrum triticeum (Gaertn.) Nevski. - Мортук пшеничный. На бэровских буграх, сухих лугах, гривах. Терофит, однолетник. Кормовое. Meniocus linifolius (Steph.) DC. ex Willd. Плоскоплодник льнолистный. По мусорным местам, на глинистых склонах, на бэровских буграх. Терофит, однолетник. Сорное. Tulipa biflora Pall. Тюльпан двуцветковый
Как видно из рисунка 3.1 содержание органического углерода закономерно уменьшается по профилю. По данным химического анализа эти почвы мало обогащены азотом - отношение C:N в верхних горизонтах составляет 11,6 - 10,73. Анализ группового состава гумуса (таблица 3.1) поверхностных горизонтов показал, что наряду с изменениями общего содержания гумуса, изменяется и абсолютное содержание гуминовых кислот. В составе гумуса фульвокислоты преобладают над гуминовыми кислотами в гумусных горизонтах вершины бугра. Соотношение Сгк:Сфк колеблется в пределах 0,5 - 0,6 что отражает гуматно - фульватный тип гумуса. Количество органических веществ, растворимых в минеральных кислотах, незначительно увеличивается в верхних горизонтах. Характерно преобладание свободных и связанных с подвижными формами полуторных оксидов гуминовых кислот в верхнем горизонте. Ниже по профилю разреза картина меняется и наблюдается преобладание гуминовых кислот, предположительно связанных с кальцием.
Небольшой объем растительных остатков, подвергающихся гумификации, минерализация, развеивание и смыв наземных остатков в засушливой обстановке не благоприятствует накоплению гумуса. Высокое содержание негидролизуемого остатка, по сравнению с общим содержанием органических веществ, свидетельствует о том, что гумусовые кислоты практически нацело соединены с минеральной частью почвы.
Изменение Коэффициента ЦВеТНОСТИ Е4б5/Ебб5 в верхних горизонтах от 4,04 до 5,1 говорит о увеличении в препаратах гуминовых кислот боковых радикалов и слабой конденсированности ароматического ядра, что свидетельствует о близости их к фульвокислотам. 3.1.2 Органическое вещество солончака переходного от полупустынного к луговому Содержание гумуса в верхних горизонтах солончака переходного от полупустынного к луговому варьирует в пределах 1,2 - 1,4%. В качестве примера приведем основные характеристики одного из разрезов участка данного типа почв. Растительность: доминантным видом в растительном сообществе данного местообитания является Eremopyrum triticeum. Общее проективное покрытие площадки 10 %, средняя высота травостоя 5 см. Флористический состав исследованного участка представлен: Aeluropus pungens (Bieb.) C.Koch. - Прибрежница растопыренная (колючая). На засоленных почвах. Хамефит, полукустарничек. Кормовое. Amaranthus albus L. - Щирица белая. На полях, по сорным местам, по склонам бэровских бугров. Терофит, однолетник. Кормовое, сорное. Anabasis aphylla L. - Анабазис безлистный. На бэровских буграх. Хамефит, полукустарник. Лекарственное, ядовитое. Bassia hyssopifolia (Pall.) O.Kuntze - Бассия иссополистная. Склоны бэровских бугров, солончаки. Терофит, однолетник. Кормовое. Eremopyrum orientale (L.) Jaub. & Spach. - Мортук восточный. На бэровских буграх, сухих лугах, гривах. Терофит, однолетник. Кормовое. Eremopyrum triticeum (Gaertn.) Nevski. - Мортук пшеничный. На бэровских буграх, сухих лугах, гривах. Терофит, однолетник. Кормовое. Petrosimonia brachiata (Pall.) Bunge. Петросимония супротиволистная. Склоны и шлейфы бэровских бугров. Терофит, однолетник. Кормовое. Petrosimonia oppositifolia (Pall.) Litv.-Петросимония толстолистная. Склоны и шлейфы бэровских бугров. Терофит, однолетник.
