Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Происхождение бугристо-западинных ландшафтов 7
1.1. Взгляды, отражающие происхождение бугристо-западинных ландшафтов 7
1.2. Механизм образования бугристо-западинного рельефа 13
Глава 2. Абиотические факторы почвообразования 15
2.1. Рельеф и почвообразующие породы 15
2.2. Климат 18
2.3. Палеогеографические условия 26
2.4. Почвенный покров и его сложность в условиях бугристо-западинного рельефа 32
Глава 3. Методы и объекты исследования 36
3.1. Методы исследования 36
3.2. Объекты исследования 37
Глава 4. Морфоаналитическая диагностика почв 38
4.1. Дерновые лесные почвы 38
4.2. Выщелоченные черноземы 56
Глава 5. Сезонные изменения некоторых свойств почв 73
5.1. Сезонное изменение температуры 73
5.2. Сезонное изменение влажности 80
5.3. Сезонное изменение актуальной кислотности 86
5.4. Сезонное изменение нитратного азота 88
Глава 6. Биотические факторы почвообразования 94
6.1. Растительность 95
6.2. Характеристика фитоценозов 97
6.2. Количественно-качественный состав микроорганизмов 102
6.4. Микробиологическая активность и тест на прорастание семян 106
Глава 7. Антропогенные факторы почвообразования 113
7.1. Агропроизводственные показатели дерновых лесных почв 113
7.2. Агропроизводственные показатели черноземов 123
7.3. Трансформация почв при антропогенезе 134
Выводы 138
Заключение 140
Библиографический список использованной литературы 141
Приложение 153
- Взгляды, отражающие происхождение бугристо-западинных ландшафтов
- Рельеф и почвообразующие породы
- Дерновые лесные почвы
Введение к работе
Актуальность. Признаки древних перигляциальных явлений широко проявляются в современных ландшафтах за пределами области многолетней мерзлоты, в частности, в южной части Предбайкалья. Они влияют на практическую деятельность в области сельского хозяйства, и в заметной степени отражаются на ходе почвообразования. Своеобразие палеогеографической обстановки на юге Предбайкалья привело к формированию бугристо-западинного рельефа, в котором округлые или вытянутые бугры высотой до 2-3 м при ширине до 20-25 м разделены понижениями. Он способствует дифференциации процессов почвообразования на буграх и в западинах, приводит к формированию комплексного почвенного покрова и выражается в различном функционировании почв и биогеоценозов. При распахивании земель с бугристо-западинным рельефом происходит существенное изменение свойств почв, приводящее к деградации почв и снижению урожайности культур. Недоучет пестроты почвенного покрова является одной из основных причин низкой продуктивности земледелия в регионе. Сейчас, когда уделяется большое внимание организации хозяйств с небольшими земельными угодьями, развивающихся к тому же в жестких экономических условиях, рациональное избирательное воздействие на почвы с бугристо-западинным рельефом приобретает особое значение.
Цель работы.
Выявление действия экологических факторов на почвообразование и функционирование почв Южного Предбайкалья в условиях бугристо-западинного рельефа, закономерностей дифференциации их свойств и режимов в естественном и освоенном состоянии.
Задачи исследований. І.Провести анализ экологических факторов почвообразования и функционирования почв, проявляющихся в специфических условиях региона, подверженного палеокриогенезу.
2,Исследовать особенности морфологии и генезиса, физико-химических и агрономических свойств рассматриваемого комплекса, на целине и пашне.
З.Изучить групповой и фракционный состав гумуса, элементный состав гуминовых кислот для диагностики современных и погребенных гумусовых горизонтов и выявления различий между ними, связанных с различными условиями образования.
4.Выявить пространственную и временную изменчивость температуры, влажности и некоторых химических свойств в почвах бугров и западин.
5.Установить связь изучаемого феномена с биотическими факторами: микробиологической активностью почв и продуктивностью фитоценозов.
Научная новизна. Впервые проведено комплексное исследование почв и биогеоценозов бугристо-западинных ландшафтов. Выявлена специфика распределения минеральных и органических веществ по элементам рельефа, а также внутри профиля почв бугров и западин. Определение элементного состава гуминовых кислот (ГК) показало четкие различия между современным и погребенным гумусовым горизонтом, доказывающее гетерохронность их образования. Исследование сезонных изменений влажности, температуры почвы, некоторых химических свойств в почвах повышений и понижении выявило четкую их дифференциацию в зависимости от рельефа. Действие биотических факторов проявилось в различии качества и количества поступающих растительных остатков, степени их разложения, темпах гумификации и минерализации органического вещества. Установлено изменение свойств почв при антропогенном воздействии, ведущее к деградации почвенного покрова и усилению его пространственной неоднородности.
Защищаемые положения
1 .Бугристо-западинный рельеф, имеющий палеокриогенное происхождение, является наиболее значимым абиотическим фактором и обуславливает различие в морфологии и генезисе почв Южного Предбайкалья, дифференциацию их свойств и режимов.
2.Действие биотических факторов в условиях изучаемого феномена различно, что отражается в объемах поступления, степени разложения и гумификации органического вещества.
З.При распахивании земель, подверженных палеокриорельефу, происходит изменение агрономических свойств почв, ведущее к деградации почвенного покрова, усилению его пространственной неоднородности.
Теоретическая и практическая значимость работы. Полученные данные углубляют и расширяют существующие представления об особенностях почвообразования в условиях бугристо-западинного рельефа подтаежных и степных ландшафтов. Результаты исследований могут служить теоретической основой для рационализации использования и сохранения земельных ресурсов юга Предбайкалья. Выявленные в процессе исследований связи между почвенным покровом и изучаемым феноменом открывают возможности для целеустремленного подхода к учету агропроизводственных показателей почв, их бонитета. Разработка планов-схем сопряженности агрохимических свойств почв с различными элементами палеокриорельефа для конкретных хозяйств заметно бы повысило рациональное использование земель в земледелии Южного Предбайкалья.
Полученные материалы послужили основой для разработки лекционных курсов «Оптимизация плодородия почвы» и «Агроэкология» для студентов разных специальностей, а также учебных программ специальных дисциплин «Оценка экологического состояния почв» и «Антропогенно-преобразованные почвы» по направлению магистратуры «Экология почв».
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались: на международной научно-практической конференции «Почва как связующее звено функционирования природных и антропогенно-преобразованных экосистем» (8-12 октября 2001, Иркутск), региональной научно-практической конференции «Структура и функционирование экосистем Байкальской Сибири» (24 октября, 2002, Улан-Удэ), международной конференции «Развитие физико-химической биологии и биотехнологии на современном этапе» (23-25 октября 2003, Иркутск), заседании Иркутского отделения Докучаевского общества почвоведов (29 июня 2004 года), межрегиональной научно-практической конференции «Биология микроорганизмов и их научно-практическое использование» (27-28 октября 2004, Иркутск).
Структура и объем работы. Диссертация представляет собой рукопись объемом 152 страницы компьютерного текста, содержит 23 таблицы, 40 рисунков и библиографию из 182 наименований, в т.ч. 15 иностранных. Она состоит из введения, 7 глав, выводов, заключения и приложения.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 20 научных работ, из них 2 статьи в реферируемых журналах, 3 препринта, остальные - материалы и тезисы международных, региональных, научных и научно-практических конференций, съездов и симпозиумов.
Личный вклад автора и благодарности, В основу работы положено обобщение результатов полустационарных - полевых, модельных и аналитических исследований автора, выполненных по планам НИР Института географии СО РАН в рамках гранта НШ - 1422.2003.05, проекта 05-04-97217 РФФИ - Байкал, программы «Университеты России» ур. 0701066 раздел 01.11, тема в ИГУ 091-05-210 «Функционирование почв Южного Предбайкалья в условиях антропогенеза». Часть материалов получена совместно с д.б.н., с.н.с. Института географии СО РАН В.А. Кузьминым и к.б.н., доцентом кафедры микробиологии ИГУ А.П. Макаровой. Диссертантом лично проводилась интерпретация и обобщение полученных данных в виде научных публикаций.
Автор считает своим долгом выразить признательность научному руководителю д.б.н., с.н.с. Института географии СО РАН В.А. Кузьмину за постоянное содействие и консультации при подготовке диссертации, благодарность сотрудникам кафедры почвоведения ИГУ и Института географии СО РАН за советы и помощь в оформлении диссертации.
Взгляды, отражающие происхождение бугристо-западинных ландшафтов
Если взглянуть на свежевспаханные поля на юге Предбайкалья, то можно видеть, что их темная окраска за счет гумусового горизонта почвы неравномерна, на общем темном фоне встречаются более светлые пятна. Обычно их образование объясняли процессами плоскостного смыва гумусового вещества с повышенных участков.
Однако А.А. Величко (1965, 1973) на Русской равнине заметил определенную закономерность в распространении этих осветленных пятен и их взаимосвязанность с микрорельефом и ископаемыми мерзлотными структурами в геологических разрезах. Светлые пятна имеют размеры 15-20 м в поперечнике, чаще всего ортогональную, иногда пентагональную форму и представляют собой небольшие повышения высотой около 0,5 м. Их разделяют обычно расплывчатые, без четких границ понижения, последние имеют более темный цвет, за счет увеличенного содержания гумусовых веществ. Весь этот блочный микрорельеф в плане образует сплошную полигональную решетку (рис. 1). 1- фрагмент аэроснимка масштаба 1:40000, где сочетаются пятнистость на пашне с карстовыми просадками; 2- пятнистая остаточно-бугристо-западинная структура на пашне в масштабе 1:20000; 3-аэрофотоснимок масштаб 1:17000
Детальный осмотр аэроснимков и наблюдения на местности показывают, что такая же полигональная система прослеживается на полях, покрытых растительностью, за счет неодинаковой всхожести на повышенных и пониженных участках. При объяснении природы указанного явления возникло представление об аналогии с полигональным трещинно-блочным рельефом зоны современной многолетней мерзлоты, где глубокое промерзание почвогрунтов (до 3,5 м), обусловленное низкими температурами зимнего периода, в сочетании с маломощным снежным покровом сопровождается морозным трещинообразованием (Достовалов, Кудрявцев, 1967; Романовский, 1977; Wallers, 1978; Johnson, 1990). Повторно-жильные льды существуют только в зоне многолетней мерзлоты, где трещины, проникая сквозь слои сезонного протаивания, могут сохраняться круглый год в слое постоянной мерзлоты. При уменьшении сезонных амплитуд температуры и повышении среднегодовых температур рост их прекращается. Прогрессирующее потепление климата ведет к деградации многолетней мерзлоты и к полному исчезновению льдов в породе. На такой территории в условиях широкого развития термокарстовых процессов повторно-жильные льды в трещинах по мере вытаивания замещаются отложениями, заплывающими сверху. В этом случае образуются так называемые псевдоморфозы по повторно-жильным льдам. Совместное существование полигонально-жильных льдов и грунтовых трещин — обычное явление в зоне современной многолетней мерзлоты на северо-востоке Сибири (Данилова, 1963; Каплина, 1973; Романовский, 1977идр.;РесБІ, 1991).
Широкое распространение подземных жильных льдов в северной части Якутии и своеобразие почвенного покрова отмечают Д.Д. Саввинов (1966, 1976) и Л.Г. Еловская (1964, 1987) с протаиванием которых связывают просадочно-провальные явления - аласы, образование озерных котловин и болот. Природные условия района также благоприятствуют мерзлотному пучению, которое является основной причиной образования бугров пучения высотой от 0,2 до 1,5 м.
На Русской равнине исследования по эволюции природной среды, включая почвы, проводились А.А. Величко (1973), А.А. Величко и др. (1996), и его учениками, В.А. Алифановым (1992), Л.А. Гугалинской (1982), Н.А. Караваевой и др. (1986) и другими. Мерзлотное растрескивание грунтов, сопровождающееся их вертикальной деформацией и перемещением масс, является активным фактором рельефообразования. Наиболее распространенной формой мерзлотного рельефа является полигональный микрорельеф, образованный чередованием выпуклых блоков-полигонов различных размеров 10, 15, 20 м в поперечнике с превышением 0,5 — 2 м и межблочных ложбин, соответствующих зонам разрывов грунтовой толщи и внедрением ее материала.
На агроценозах, где поверхность сильно выровнена в результате распашки, полигональный рельеф не всегда заметен, но проявляется через неоднородно пятнистую ячеистую окраску пашни, что хорошо прослеживается визуально и на аэрофотоснимках. При анализе аэрофотоматериалов можно увидеть, что западины приурочены к местам перекрещивания пониженных полос (Паршиков, 1968; Svensson, 1972). Иными словами, эти понижения являются замками полигональных трещин и сформировалось за счет усиленного вытаивания льда. Это явление хорошо известно для зоны современной мерзлоты Европейского Севера, как и последующая стадия эволюции этого рельефа, а именно - постепенное расширение этих западин за счет "съедания" окружающих блоков (Величко и др., 1996; Svensson, 1963).
Рельеф и почвообразующие породы
Рассматриваемое в работе Южное Предбайкалье — регион Восточной Сибири наиболее благоприятный по природным условиям для проживания и хозяйственной деятельности населения. Район исследования с юго-запада ограничен предгорьями Восточного Саяна, с юго-востока - Онотской возвышенностью и включает южную часть Иркутско-Черемховской равнины и Предбайкальской впадины, представляющих собой краевые прогибы Сибирской платформы (Атлас Иркутской области, 1962; Атлас Забайкалья, 1967) (рис.3).
Ведущая роль в формировании ландшафтных комплексов и почв на данной территории принадлежит рельефу. Рельеф как перераспределитель солнечной энергии, влаги и растворимых веществ обуславливает основные природные закономерности рассматриваемого региона (Кузьмин, 1988).
В системе физико-географического районирования Сибири (Физико-географическое районирование, 1968) территория Предбайкалья относится к физико-географической стране, определяемой как Средняя Сибирь. Согласно ландшафтному районированию юга Восточной Сибири (Михеев, Ряшин и др., 1977), территория Южного Предбайкалья относится к Южносибирской физико-географической области, которая охватывает горные системы Восточного Саяна и Иркутско-Черемховскую равнину. Последнюю, являющуюся нижней ступенью поясности гор иногда причисляют к соответствующей горной области (Сочава, 1963; Михеев, Ряшин, 1977), что определяет особенности состава, структуры и развития здесь биоты и ландшафтов. По мнению B.C. Михеева и Т.И. Коноваловой (1998), региональный классификационный диапазон охватывает геосистемы, присущие разным субконтинентам Азии, отражает их взаимопроникновение и является уникальным ландшафтно-ситуационным примером сибирской природы в пределах Северной Азии.
Иркутско-Черемховская равнина характеризуется холмисто-увалистым рельефом с высотой междуречий 500-650 м, слабо расчлененным неглубокими долинами. Для южной части ПредбаЙкальской впадины характерны синклинальные равнины древних речных долин, чередующиеся со слабо выпуклыми междуречьями, достигающими высоты 700 м. Они вытянуты в северо-восточном направлении параллельно краю горной страны (Атлас Иркутской области, 1962). Террасы и склоны речных долин характеризуются трещинно-полигональным и бугристо-западинным микрорельефом, обусловленным мерзлотными дислокациями, определяющих формирование комплексного почвенного покрова и неоднородность почв по агропроизводственным показателям (Кузьмин, 1988).
Со сложным геологическим строением региона, разновозрастиостью отложений, различной интенсивностью гипергенеза связано большое разнообразие почвообразующих пород по минералогическому, химическому и гранулометрическому составу. Это служит одним из факторов дифференциации почвенного покрова и характера почвообразования. Иркутско-Черемховская равнина и южная часть ПредбаЙкальской впадины выполнены юрскими отложениями, представленными песчаниками, алевролитами, аргиллитами, конгломератами, углистыми сланцами с прослойками углей. Юрские породы сравнительно легко разрушаются, что придает мягкие очертания рельефу, обуславливает формирование широких речных долин. Чередование песчаников с аргиллитами и алевролитами, наличие нескольких горизонтов подземных вод при необходимой крутизне ведут к образованию оползней, проявлению выходов источников по бортам долин. Широкой полосой к юрским отложениям с юго-запада и юго-востока и севера прилегают нижне- и верхнекембрийские породы, представленные песчаниками, известняками, доломитами, доломитизированными известняками, что обуславливает проявление карста и формирование дерново-карбонатных почв (Беркин и др., 1993).
Рыхлые отложения на Иркутско-Черемховской равнине, являющиеся почвообразующими породами, различаются по генезису, составу и свойствам. На междуречных пространствах они генетически связаны с коренными юрскими породами (песчаниками, алевролитами и конгломератами). В речных долинах и древних озерных террасах сформировались четвертичные отложения, представленными песками, галечниками, глинами, суглинками, являющимися почвообразующими породами. Лессовидные суглинки в качестве почвообразующих пород распространены на юге Предбайкальской впадины. По отношению к почвообразованию рыхлые отложения равнин В.А. Кузьминым (1980) сгруппированы согласно карте "Почвообразующие породы Предбайкалья" в зависимости от гранулометрического состава (суглинисто-глинистые и песчаные), наличия карбонатов (карбонатные и бескарбонатные) и завалуненности.
Дерновые лесные почвы
Это название в качестве типа почв юга Средней Сибири введено О.В. Макеевым (1959). Основной провинциальной особенностью формирования дерновых лесных почв, он считал богатство пород основаниями и первичными минералами. По мнению Б.В. Надеждина (1961), формирование неоподзоленных (дерново-лесных бурых) почв под лесами юга Средней Сибири обусловлено не только особыми свойствами почвообразующих пород, но и всей совокупностью условий почвообразования как в прошлом, так и в настоящее время. В.А. Кузьмин (1980, 1988) отмечает, что дерновые лесные почвы, наряду с дерново-подзолистыми, являются обязательным компонентом почвенного покрова травяных кустарниковых лесов. На плато и в горах они формируются на различных породах, занимая нижние части склонов. Материнскими породами дерново-лесных почв могут быть различные рыхлые элювиальные и делювиальные отложения, но наиболее характерные почвы этого типа развиваются на продуктах выветривания галечников.
Согласно Г.А. Воробьевой (1999), дерновая лесная почва (forest sod soil) — термин, применяющийся для лесных почв Иркутской области с маломощным (обычно высокогумусным) горизонтом А, резко переходящим в хорошо выраженный ореховатый бурый или ярко бурый горизонт В, часто более тяжелый по гранулометрическому составу, чем выше- и нижележащие горизонты, можно объяснить литологической неоднородностью отложений. Г.А. Воробьева отмечает (1999), что в "Классификации и диагностике почв СССР" (1977) и новой "Классификации и диагностике почв России" (2004) дерновые лесные почвы не рассматривались, так как им трудно определить типовую принадлежность даже среди многочисленных типов новой классификации.
Исследования дерновых лесных почв с бугристо-западинным рельефом проводились в пределах Иркутско-Черемховской равнины, в условиях подтаиги. Две сопряженные пары разрезов закладывалась в долине реки Иркут в 5 км к юго-западу от Иркутска. Общая направленность склона северовосточная с углом уклона менее 2, разрезы заложены в верхней его части. При освоении эти почвы были нарушены и теперь, по морфологическому строению, их можно отнести к антропогенно-преобразованным (Классификация почв России, 2004).
Разрез 1 - микрозападина на пашне, в 50 м от леса. Примерное время освоения 1983-84 г.
Ар 0-24 см. Темно-серый, влажный, комковато-глыбистый, тяжелый суглинок, рыхлый, пористый, переход заметный по уплотнению, граница перехода ровная;
А 24-39 см. Темно-серый, влажный, глыбистый с комками, средний суглинок, уплотнен, пористый, переход заметный по окраске, граница перехода волнистая;
В 39-62 см. Бурый, влажный, комковато-глыбистый, средний суглинок, уплотнен, тонкопористый, редкие корни, переход постепенный по окраске, граница перехода волнистая;
ВС 62-120 см. Светлее чем В, влажный, средний суглинок, уплотнен, выражена слоистость, тонкопористый;
Формула: Ар-А-В-ВС. Почва - дерновая лесная бескарбонатная тяжелосуглинистая.
Разрез 2 - микроповышение, в 12 м от разреза 1 на юго-запад. Превышение составляет 30-40 см.
Ар 0-25 см. Буровато-серый, влажноватый, комковато-глыбистый, тяжелый суглинок, слабоуплотнен, пористый, переход заметный по окраске и уплотнению, граница перехода ровная;
В 25-44 см. Желтовато-бурый, влажноватый, глыбисто-комковатый, тяжелый суглинок, рыхлый, тонкопористый, встречаются отмирающие корни, переход ясный по вскипанию; Вса 44-63 см. Более светлый чем В, влажный, комковатый, тяжелый суглинок, уплотнен, тонкопористый, слабо вскипает, переход постепенный по окраске;
ВСса 63-120 см. Сходен с горизонтом Вса, но с охристыми пятнами, влажный, средний суглинок, уплотнен, тонкопористый, бурно вскипает.
Формула: Ар-В-Вса-ВСса. Почва - дерновая лесная остаточно-карбонатная тяжелосуглинистая.
Разрез 3 - лес, западина, глубиной 70 см. Березняк папоротниково-разнотравный с отдельными соснами более старого возраста, встречается осина. Кустарник: шиповник, подрост редкий (осина, береза). 0 0-2 см (опад). Подстилка лиственно-травяная, встречается хвоя;
Ог 2-3 см (сильно разложившаяся подстилка). Темно-серый, очень рыхлый, много корней;
Ad 3-6 см. Темно-серый, влажный, комковато-порошистый, тяжелый суглинок, рыхлый, пористый, корни образуют сплошную подушку, переход ясный по корням;
А 6-14 см. Серый, влажный, комковатый, тяжелый суглинок, слабоуплотнен, пористый, с обильными корнями, переход ясный по окраске;
В 14-27 см. Светло-бурый, влажный, ореховатый, тяжелый суглинок, слабоуплотнен, тонкопористый, корней меньше, переход ясный по окраске;
[А] і 27-54 см. Темно-серый с серовато-коричневыми пятнами, белесоватая присыпка на гранях структурных отдельностей, влажный, комковато-зернистый, средний суглинок, слабоуплотнен, тонкопористый, встречаются корни, переход постепенный по окраске;
