Содержание к диссертации
Введение 5
1. Обзор литературы 9
Почвенное органическое вещество. Современное представление 9
Почва как элемент глобального круговорота углерода в биосфере 10
Факторы и процессы, управляющие распределением почвенного органического вещества 11
Стабилизация органического материала в почвах умеренных широт: механизмы и их приемлемость в различных почвенных условиях 13
Пределы насыщения почв органическим веществом 13
Защищенное почвенное органическое вещество: механизмы стабилизации, особенности и динамика 15
Химическая стабилизация почвенного органического вещества 15
Физическая стабилизация: защищенное микроагрегатами почвенное органическое вещество 16
Общее понятие агрегата 16
Теория агрегатной иерархии почвообразующего материала 17
Почвенное органическое вещество, защищенное микроагрегатами 20
Почвенное органическое вещество, защищенное биохимической стабилизацией 23
Взаимодействие механизмов стабилизации 23
1.5. Незащищенное почвенное органическое вещество: особенности и
динамика 24
Содержание и состав незащищенного органического вещества 24
Сезонные изменения, пространственное и профильное варьирование углерода макрочастиц органического вещества и легких фракций почв 26
Влияние биоклиматических условий и свойств почв на уровень накопления в почвах макрочастиц органического вещества и легких фракций....-. 26
Незащищенное почвенное органическое вещество как источник питания организмов 26
Почвенное органическое вещество гранулометрических фракций 27
Взаимосвязь между органическим веществом почв и их физическими свойствами 28
Понятие физической деградации почв 28
Структурное состояние почвы и почвенное органическое вещество. 28
Почвенное органическое вещество и водопрочность агрегатов 29
Плотность сложения почвы и почвенное органическое вещество.... 30
Твердость почвы или сопротивление пенетрации 30
Общая пористость или скважность почвы 31
Гидрологические свойства почвы 32
Оптимизация содержания органического вещества в почве 32
Особенности динамики почвенного органического вещества в пахотных почвах 33
2. Методология и методика исследования 35
Методологический подход 35
Методика исследования 36
2.2.1. Методика фракционирования почвы 37
2.2.1.1. Принципы определения ГМС почвы 37
2.2.1.2.-Физическое фракционирование почвенного образца 39
2.2.1.3. Удаление органического вещества из навески почвы
окислением пергидролем 40
Определение содержания углерода и азота 41
Определение деформирования уплотняющейся почвы при нагрузке 42
2.3. Статистическая обработка результатов 42
3. Объекты исследования 43
3.1 .Общегеографическое положение 43
3.2. Природные условия 43
Климат 43
Геологическое строение 43
Строение поверхности 44
Растительность 44
Почвы 45
Характеристика объектов исследования 46
4. Почвенное органическое вещество и его роль в формировании
структурной организации черноземов 50
Морфологические особенности исследуемых черноземов 50
Содержание и распределение гумуса, органического углерода и азота между почвенными горизонтами 50
Содержание и распределение гумуса 51
Содержание и распределение органического углерода и азота 53
4.3. Запасы органического вещества в почве, выраженные через запас
гумуса, органического углерода и азота 57
4.3.1 .Общий запас гумуса 57
Общий запас органического углерода и азота 60
Обсуждение содержания и распределения запасов почвенного органического вещества 61
5. Распределение и запас органического вещества в структурных
конструкциях почвообразующего материала 64
5.1. Гранулометрический состав почвы 64
5.1.1. Результаты определения гранулометрического состава почвы 64
Методом Н.А. Качинского 64
Методом А. Аттерберга 66
Физическое фракционирование почвенного образца: предварительное разделение почвенного материала по плотности и с помощью ультразвука 66
Определение гранулометрического состава почвы после обработки ее пергидролем 68
5.1.2. Сравнительная характеристика результатов определения
гранулометрического состава почвы 70
5.1.3. Обсуждение результатов определения гранулометрического
состава почвы 71
5.2. Содержание и распределение органического углерода и азота между
почвенными фракциями 74
Органический углерод и азот в свободном и непрочно связанном органическом веществе почвы 74
Органический углерод и азот в органо-минеральной фракции 76
Обсуждение результатов распределения почвенного органического вещества по структурным конструкциям почвообразующего материала 77
5.3. Запас органического углерода и азота в структурных конструкциях
почвообразующего материала 79
6. Взаимозависимость органического вещества и структурно-агрегатного
состояния почв 82
Структурное состояние почв 82
Агрегатное состояние почв 86
Взаимозависимость структурно-агрегатного состояния почв и органического вещества 89
Структурный состав почвы и органическое вещество 89
Агрегатное состояние почвы и органическое вещество 93
7. Взаимосвязь между физическими свойствами почвы и ее органическим
веществом 96
Плотность сложения почвы 96
Твердость, пористость и плотность твердой фазы почвы 99
7.2.1. Твердость почвы 100
7.2.2 Общая пористость почвы и плотность ее твердой фазы 102
8. Связи между гидрологическими константами, физическими свойствами
почвы и ее органическим веществом 104
Гидрологические параметры и их взаимосвязь с физическими свойствами 104
Впитываемость почв как показатель их противоэрозионной устойчивости 108
Потенциальные возможности исследуемых почв в водообеспечении культурных растений 112
9. Роль сельскохозяйственных машин и механизмов в деградационных
процессах структурно-агрегатного состояния черноземов 119
10. Роль органического вещества в формировании устойчивости черноземов
к антропогенным дестабилизирующим воздействиям 122
Выводы 124
Список литературы 127
Приложение 146
Введение к работе
Актуальность темы.
Почва представляет собой незаменимое звено общего механизма функционирования биосферы и если этот компонент на большом пространстве нарушается или утрачивается, сложившийся гомеостаз биосферы необратимо изменяется {Добровольский, Никитин, 1990; Ковда 1989; «Структурно-функциональная роль...», 1999). Последний этап развития цивилизации — этап ускоренного научно-технического прогресса ознаменовался неудержимым ростом численности населения Земли, связанным с успехами борьбы с инфекционными болезнями и появлением возможностей в обеспечении растущего населения необходимым объемом продуктов питания. К настоящему времени все пригодные для полей поверхности Земли уже давно распаханы и в последние десятилетия расширенное производство продовольственных товаров осуществляется за счет интенсификации использования ранее распаханных площадей.
Территория Республика Татарстан является наглядным отражением этого глобального процесса. За последние 100-150 лет лесистость ее снизилась с 42% до 17%. Леса целенаправленно уничтожались для расширения полей. Снижение лесистости в два и более раза изменило условия инсоляции и взаимодействия воздушных масс с поверхностью почв, что повлекло за собой формирование нового их температурного и влажностного режимов, создавших предрасположенность к увеличению непроизводительных потерь выпадающей атмосферной влаги. Систематическая обработка почв с оборотом пласта, появление в массовых масштабах в составе ландшафтной структуры агроценозов, уступающих естественным ценозам в способности защищать поверхность почв от физического воздействия агентов атмосферы, создали благоприятные предпосылки для усиления поверхностного стока и активизации эрозионного процесса.
Стартовыми причинами процесса наведенного эрозионного разрушения почв в изменившихся условиях взаимодействия почв лесостепи с приземным слоем тропосферы являлись: а) полное разрушение естественных ценозов луговой степи, частичная вырубка лесов, раскорчевка и последующая распашка исходно лесных местообитаний; б) трансформация свойств почв под действием аграрных технологий, основывающихся в последние десятилетия на вспашке с оборотом пласта и применением мощных тяговых и прицепных машин, оказывающих недопустимо высокое удельное давление на их поверхность.
Усеченный круговорот органического вещества и искусственная активизация процессов естественного разрушения растительных остатков, свойственные аграрным моноценозам, изменили режим аккумуляции углерода почвами в направлении уменьшения общего ее объема и структуры.. Нарушение сложившихся природных форм связей почвенного органического вещества с минеральной основой почв и сильные
механические воздействия со стороны сельскохозяйственных машин и механизмов блокируют процесс самовосстановления структурно- агрегатного состояния. Повышение уровня распыленности структуры и тесно сопряженное с ней снижение впитываемости и водопроницаемости почвенных толщ создают благоприятные предпосылки для поверхностного стока, что в виде обратной связи дополнительно отягощает антропогенно наведенный процесс непроизводительного расходования выпадающих атмосферных осадков.
Стимулируемая аграрной деятельностью аридизация (иссушение) территории лесостепной зоны, где сельскохозяйственная освоенность почвенного покрова достигает 100%, приводит к негативному изменению режима рек, высыханию озер, изменению состава и общему обеднению видового разнообразия аридизированной деятельностью человека лесостепи.
Земли сельскохозяйственного назначения Республики Татарстан представлены более чем на 80% черноземами и серыми лесными почвами, участвующими в формировании пахотного земельного фонда практически в равной доле. В прошлом площади, занятые первым типом, представляли собой луговые степи, вторым - дубравами и другими типами лиственных лесов. Таким образом, изучение гумусного и общефизического состояния данных почв, их непрерывных изменений под естественным и антропогенным влиянием и определение тенденций этих изменений представляет собой актуальную экологическую проблему.
Цель работы.
Выявление путем сопряженного сопоставления парного объекта направлений трансформации гумусного состояния и водно-физических свойств черноземов в процессе длительного их использования в составе пахотного угодья.
Задачи исследований.
Провести анализ морфологических особенностей профилей черноземов, приуроченных к различным позициям элементарного геоморфологического склона водораздельной поверхности, и находящихся в естественных условиях и в длительном сельскохозяйственном пользовании.
Выявить в составе профилей исследуемого подтипа чернозема распределение почвенного органического вещества по отдельным составляющим физической организации твердой фазы почвы.
Выявить изменения физического и водно-физического состояния исследуемого подтипа чернозема, связанные с различными условиями его формирования.
Определить взаимозависимости запасов почвенного органического вещества и общефизических параметров чернозема глинисто-иллювиального типичного, обусловливаемые их приуроченностью к различной зоне элементарного склона и типом использования.
5. Представить взаимозависимости количественных параметров органического вещества и физических, водно-физических показателей чернозема глинисто-иллювиального типичного в количественном виде.
Научная новизна. Сравнением установлено, что широко применяющийся в отечественной почвенно-лабораторной практике метод Н.А. Качинского с пирофосфатной подготовкой образцов к седиментации в сравнении с методом А. Аттерберга занижает относительное содержание наиболее высокодисперсных фракций за счет соответствующего увеличения крупнопылеватых и песчаных частиц в результате чего в классификационная разновидность может достигать двух градаций.
Изучено распределение органического вещества в черноземах глинисто-иллювиальных типичных (естественно развивающихся и длительно использующихся под пашней) по отдельным составляющим физической организации твердой фазы почвы, рассчитаны его запасы по фракциям (свободным и непрочно связанным макроорганическим и органо-минеральным) и структурным отдельностям.
Установлены количественные изменения основных структурных уровней организации гумусового горизонта исследуемых черноземов под воздействием длительной аграрной культуры, обусловливаемые их положением в профиле элементарного геоморфологического ландшафта водораздельной поверхности.
Специальными опытами установлен уровень уплотнения почв, создаваемый различными типами сельскохозяйственных тяговых машин. Показано, как это уплотнение отражается на основных гидрологических характеристиках, управляющих поведением атмосферной влаги, поступающей на поверхность черноземов.
Защищаемые положения.
Непосредственными причинами деградации физического состояния черноземов лесостепи при вовлечении их в сельскохозяйственное производство являются негативная трансформация структурно-агрегатного состава, сопровождающаяся уменьшением общего количества аккумулируемого органического вещества и изменением его локализации в составе структурных отдельностей, перестраивающихся в условиях систематического аграрного прессинга.
Деградация структурно-агрегатного состава, суть которой состоит в полной потере устойчивости к действию воды всеми агрегатами >2 мм, сопровождается существенным ослаблением механизма стабилизации почвенного органического вещества, который в виде обратной связи подстегивает дальнейшее негативное преобразование исходного физического состояния черноземов.
Совместное негативное изменение почвенного органического вещества как биотической составляющей и структурно-агрегатного состава как модулированной им абиотической составляющей черноземов,
предопределяют снижение противоэрозионной их стойкости и, в целом, устойчивости аграрных экосистем, базирующихся на них.
Теоретическая и практическая значимость работы. Представляемые результаты исследований дополняют и углубляют существующие представления об основополагающих свойствах черноземах и причинах их негативного изменения в результате длительного сельскохозяйственного использования, основанного на применении вспашки с оборотом пласта.
Материалы данной работы могут быть использованы для разработки теории, методологии и технологии управления воспроизводством плодородия почв; для расчетов экологически безопасного уровня антропогенного воздействия; использоваться при организации и проведении экологического мониторинга естественных и активно эксплуатируемых человеком экосистем базирующихся на черноземах, как информационной основы рационального землепользования и охраны почв от деградации.
Апробация работы. Материалы диссертации представлялись на Докучаевских молодежных чтениях 2006 г. «Почвы и техногенез» в Санкт-Петербургском государственном университете (Санкт-Петербург, 2006); на Международной научно-практической конференции «Актуальные вопросы совершенствования технологии производства и переработки продукции сельского хозяйства» (Йошкар-Ола, 2007); на Международной научно-практической конференции «Инновационное развитие агропромышленного комплекса и лесного хозяйства» (Казань, 2007); на Международной научно-практической конференции «Экология биосистем: проблемы изучения, индикации и прогнозирования» (Астрахань, 2007).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 14 научных работ, из них 3 статьи в реферируемых журналах.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 10 глав, выводов, приложения и списка литературы, включающего 334 наименований, в том числе 233 на иностранных языках. Работа изложена на 146 страницах, включая 8 таблиц, 20 рисунков и 24 приложения.
Благодарности. Автор выражает глубокую благодарность и искреннюю признательность руководителю этой работы д.б.н., профессору Геннадию Федоровичу Колосову за науку и терпение. Особую признательность автор испытывает к к.т.н. А.Г. Закирову, профессору И. Кёгель-Кнабнер (Технический университет г. Мюнхен) и генеральному директору ООО «АФ «Кулон» Р.В. Мифтахову, оказавшим неоценимую помощь при выполнении работы. Автор благодарен всем сотрудникам кафедры почвоведения Казанского государственного университета, принимавшим участие в различных этапах данного исследования.
