Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Природные условия района исследований и состояние элементов питания в почвах Джаныбекского стационара (литературный обзор) 7
1.1. Физико-географическая характеристика района исследований 7
1.1.1. Природные условия и почвы Джаныбекского стационара 7
1.1.2. Изменение солевого состояния и водного режима почв под влиянием лесных экосистем и общего подъёма уровня грунтовых вод 9
1.1.3. Изменение лесорастительных условий под влиянием новых компонентов искусственных лесных экосистем 18
1.2. Проблема обеспеченности древесных растений питательными веществами в глинистой іюлупустыни 20
1.2.1. Взаимосвязь обеспеченности питательными веществами лесных культур и их выживания в экстремальных условиях полупустыни 20
1.2.2. Состояние изученности плодородия почв Джаныбекского стационара 25
1.2.3. Влияние лесных насаждений на плодородие почв в степной и полу пусты иной зонах 30
Глава 2. Объекты и методы исследования 32
2.1. Объекты исследования 32
2.2. Методы исследования 39
Глава 3. Изменение гумусного состояния почв в искусственных лесных экосистемах 41
3.1. Особенности биологического круговорота в нативных и лесных биоценозах Джаныбекского стационара (по литературным данным) 41
3.2. Содержание и запасы органического вещества в исследованных почвах 47
.3. Групповой и фракционный состав гумуса целинных почв 65
Выводы к главе 3 „.ЛЯ 74
Глава 4, Изменение азотного состояния почв в искусственных лесных экосистемах 77
4.1. Поступление атмосферного азота Я^^!^г 77
4.2. Аккумуляция азота в растительности...(по литературным данным)... 77
4.3. Формы азота в исследованных почвах 79
4.3.1 .Общин азот 79
4.3.2.Нитрификаціюнная способность почв gg
4.3.3. Легкогидролизуемый азот /.^^^ 99
4.3.4. Минеральный азот |Q]
4.4. Потоки азота между естественными, естественными искусственными лесными экосистемами и внутри последних J04
Выводы к главе 4 U4
Глава 5. Изменение калийного состояния почв в искусственных лесных экосистемах \\j
5.1. Поведение калия в почвах и экосистемах Джаныбекского стационара (по литературным данным) 117
5.2. Формы калия в исследованных почвах 120
5.2.1 Необменный калий 120
5.2.2. Обменный калий 134
5.2.3. Легкообменный калий 149
5.2.4. Водиорастворимый калий 156
5. 3. Термодинамические показатели калийного состояния почв 16|
Вы воды к главе 5 198
Глава 6. Изменение состояния фосфора в почвах искусственных лесных экосистем 200
6.1. Поведение фосфора в почвах и экосистемах Джаныбекского стационара (но литературным данным) 200
6.2. Формы фосфора в исследованных почвах 202
6.2.1 .Валовое содержание фосфора 202
6.2.2. Фосфор по Мачшину
6.2.3. Фракционный состав фосфатов 220
Выводы к гл аве 6 232
Выводы к работе 234
Список литературы 236
- Изменение солевого состояния и водного режима почв под влиянием лесных экосистем и общего подъёма уровня грунтовых вод
- Объекты исследования
- Содержание и запасы органического вещества в исследованных почвах
Введение к работе
Актуальность темы. На Джаныбекском стационаре Института лесоведения РАМ в течение многих лет разрабатывались рациональные способы повышения продуктивности сельскохозяйственных земель и формирования искусственных лесных экосистем, улучшающих комфортность и уровень жизни населения. С этой целью были созданы массивные лесные насаждения в падинах и лесомелиоративные системы (ЛМС) в межпалинном пространстве на почвах солонцового комплекса. Актуальность работы связана с недостаточной изученностью влияния искусственных лесных насаждений на состояние азота, фосфора и калия в почвах полупустынных ландшафтов. На Джаныбекском стационаре подробно было изучено состояние элементов питания в нативных почвах (Федоровский, 1979). Отдельные исследования затрагивали проблему изменения содержания подвижных форм калия и фосфора и содержания общего азота (Базыкина, 1990), а также валового содержания этих элементов (Кретинин, 1996) в почвах агролесомелиоративных систем. Специально изучалось влияние азота на продолжительность жизни, восстановление крон и выживаемость в экстремальных условиях вяза приземистого (Душков 1981, 1983, 1994; Линдеман, 2000). 13 настоящее время отсутствует комплексная характеристика состояния элементов питания в почвах агролесомелиоративных систем. Вместе с тем известно, что оптимальная обеспеченность элементами питания как древесных растений, так и сельскохозяйственных культур, выращиваемых в ЛМС, позволяет им выживать в условиях полупустыни при высокой засушливости климата.
По Федеральной программе агролесомелиорации, принятой на срок до 2015 года, целесообразным считается довести площадь только линейных лесных насаждений до 1.5-3 % площади пашни и 5 % площади пастбищ в аридных регионах. В связи с этим исследование влияния искусственных лесных экосистем на состояние основных элементов питания в почве полупустынной зоны имеет важное лесо - и почвоохранное значение.
Цель работы заключалась в оценке изменений в состоянии основных элементов питания почв под влиянием искусственных лесных экосистем -массивных древесных насаждений в падинах и линейных однорядных кулис на почвах солонцового комплекса.
В задачи работы входило: ных почвах
Охарактеризовать состояние N, Р, К и гумуса в целинных почвах солонцового комплекса и в почвах понижений мезорельефа.
Оцепить изменения в состоянии этих элементов питания и гумуса в почвах под влиянием лесных насаждений.
Оценить влияние массовых видов птиц и млекопитающих на потоки азота в ландшафтах Северного Прикаспия и на состояние азота в почвах исследуемых экосистем.
Научная новизна. Впервые на массовом материале комплексом методов изучены изменения в составе соединений азота, фосфора и калия в почвах глинистой полупустыни Северного Прикаспия под влиянием искусственных лесных экосистем, созданных на Джаныбекском стационаре и пригодных к широкому применению. Показано, что под влиянием массивных лесных насаждений в понижениях мезорельефа и лесомелиоративных систем (ЛМС) линейного типа на солонцовом комплексе изменяются показатели обеспеченности растений основными элементами питания. Впервые показан исключительно высокий вклад зоогенного фактора в перераспределение азота между естественными природными экосистемами, а также между естественными и искусственными лесными экосистемами и внутри последних.
Практическая значимость. Оценена степень обеспеченности лесных культур основными элементами питания, показано влияние лесных культур и приёмов их выращивания на состояние элементов питания в почвах региона, что позволяет оптимизировать лесовыращивание в аридных условиях.
Изменение солевого состояния и водного режима почв под влиянием лесных экосистем и общего подъёма уровня грунтовых вод
Из приведённых выше литературных данных о свойствах целинных почв исследуемой территории следует, что создание лесных насаждений и выращивание сельскохозяйственных культур на целине возможно только на лугово-каштановых почвах падин и западин. Однако лугово-каштановые почвы западин нельзя использовать для создания сельскохозяйственных угодий из-за их мелкой контуриости. Целинные солонцы и светло-каштановые почвы не пригодны для тгих целей из-за засоленности, солонцеватости, не благоприятных водно-физических свойств. Целью мелиорации почв солонцового комплекса является увеличение продуктивности солонцов и светло-каштановых почв, обеспеченное добавочным увлажнением, рассолением и рассолонцевапием. В процессе агролесомелиорации и в процессе роста лесных культур в падинах изменяются и свойства лугово-каштаиовых почв. Поскольку в регионе исследований определяющими для роста растений являются мощность слоя почвы, свободного от солей, запас влаги в корнс-обитаемой толще и (или) доступность пресных грунтовых вод для растений, мы приводим литературные данные по изменению этих показателей в результате агролесомелиорации на солонцовом комплексе и выращивания массивных насаждений в падинах. На лесорастительные свойства почв в последние два десятилетия оказывает влияние подъём уровня грунтовых вод, отмечающийся во всём Северном Прикаспии. Поэтому приводятся литературные данные, полученные для почв Джаныбекского стационара, с учётом изменения их водного и солевого баланса в результате подъёма уровня грунтовых вод.
Изменениелесорастшпелышх свойств солонцов
Изменение структуры н плотности солонцов
Физические свойства мелиорируемых солончаковых солонцов изменяются на первом этапе мелиоративного процесса. В результате плантажной вспашки и механического разрушения солонцового горизонта, а также замещения иона NaT на ион Са" в ППК существенно увеличивается водопроницаемость почв - в 3 и в 6 раз в течение первых же лет после начала мелиоративного процесса (Роде. 1974). Первый подсолонцовый горизонт уплотняется, т.к. за счёт выноса легкорастворимых солей он теряет пескообразную структуру. Его объёмный вес увеличивается с 1,16 - 1,18 до 1,31 - 1,39 (Большаков, 1974). На поздних стадиях мелиоративного процесса (более 35 ет) средняя часть профиля солонцов представляет собой "практически сцементированные глыбы - блоки, разбитые вертикальными трещинами усыха-ния до 0,5 — 1 см толщиной " (Сиземская, 1989)
Изменение водного режима солонцов
Благодаря снегонакопительной функции кулис, запас воды в снеге пределах лесомелиоративных систем (ЛМС) увеличивается. На участке Гослесополосы за 10-летний срок наблюдений с начала посадки культур в среднем он составлял но отношению к целине 262 % (Базыкииа. Роде, 1974). Мелиорируемые почвы солонцового комплекса периодически промачивались талыми водами до грунтовых вод, хотя это происходило не каждый год и не повсеместно, а "миграциопно-потускулярно", в местах накопления больших сугробов. С 1953 по 1962 гг. процент промоченных насквозь солонцов варьировал с 20 до 100. За эти годы средняя глубина увлажнения непромоченных до грунтовых вод мелиорируемых солонцов составляла 95 см. изменяясь от 30 до 300 см. Средняя глубина промачиваиия в целинных солонцах за этот срок наблюдений составила 35 см. В случаях сквозного промачиваиия происходил отток гравитационной влаги в грунтовые воды с последующим растеканием купола грунтовых вод под кулисой в сторону целины. Растения, произрастающие на солонцах, черпают влагу из корнсобитаемого слоя, отмытого от солей, и из грунтовых вод посредством подтягивания плёночной влаги под действием градиента всасывающего давления из капиллярной каймы к иссушенным корнями слоям. Величина ежегодного расхода грунтовой воды на солонцах составляет в среднем 46 мм (Базыкииа, 1974). В результате интенсивного расходования влаги в профиле мелиорируемого солонца в июле остаётся только непродуктивная влага, и её содержание в дальнейшем не меняется. После этого момента рост побегов и эвапотраспирационные расходы влаги культурами резко сокращались, но это не влияло на состояние растений. В это время, по предположению М.М. Абрамовой (Абрамова и др.. 966), деревья существуют за счёт осадков и конденсации парообразной влаги, поступающей из глубоких слоев. Расход влаги из корнеобитаемой толщи
350 мм) хорошо промытого солонца за 10 лет наблюдений составил в среднем 325 мм. Таким образом, общий расход влаги из грунтовых вод и из корнсобитаемого слоя составил 371 мм, а для всех солонцов в среднем 220-237 мм. Потенциал потребления воды у лесных культур существенно вь На почвах падин с доступными грунтовыми водами потребление влаги кулисой 12-летних культур составило 500 мм без учёта летних осадков (Роде, 1962), т.е. древесные насаждения испытывают дефицит влаги на солонцах, начиная с первых лет жизни.
Изменение солевого состояния солонцов
Для корней вяза токсичным является содержание иона СГ 2 мг :жв/100 г почвы. Ионы SO.» "" не являются токсичными для растений, но замедляют рост корней, так как, повышая концентрацию почвенного раствора, увеличивают его водоудерживающую силу. Последнее повышает физиологическую сухость даже хорошо увлажнённых почв (Эрперт, 1974).
Опыт по выяснению влияния осмотического давления и засоленности почв на способность растений извлекать из них влагу был проведен Д.В. Федоровским (1979). В вегетационном опыте каждое растение получало влагу из двух источников - из сосуда с образцами верхнего 20-см слоя лугово-каштановых почв западин с содержанием солей около 1 ммоль окв/100 г почвы и из сосуда с образцами солончакового солонца с различным содержанием солей - от 4-5 до 20 ммоль экв/100 г. Почвы насыщались водой до полной влагоемкости. При содержании солей в солонце 4 ммоль экв/100 г расход растениями влаги на транспирацшо па 50 % покрывался за счёт поступления влаги из сосуда с солонцовой почвой, при содержании солей 8—12 ммольэкв — на 30-36 %, при концентрации 20 ммольэкв —на 7-13 %.
В результате агролесомелиорации в засоленных почвах образовались элювиально-солевые горизонты. Скорость их образования зависела от конструкции полос, погодных условий. Под Гослесополосой за 20 лет наблюдений мощность элювиально-солевых горизонтов составила от 300 до 450 см (Мак-симюк, 1974).
Объекты исследования
Объектами исследования были почвы естественных степных и пустынных биогеоценозов и искусственных лесных экосистем. Почвенные образцы отбирались по генетическим горизонтам (в некоторых случаях - только из верхних горизонтов) из разрезов, заложенных на 20 участках на территории стационара. "Участки с 1-ого по 6-ой расположены в пределах двух больших падин (№1 и № 4, номера падин даются в соответствии с нумерацией, принятой на стационаре), разрезы лугово-каштановых почв на этих участках заложены под естественной степной растительностью и под древесными насаждениями. Почвы на падине №1 отличаются тем, что гумусовый горизонт в них отчетливо разделен на две части — более гумусированную верхнюю и менее гумусированную нижнюю и несколько лучше оструктурен, чем в падине 4. Эти различия могут быть связаны с более интенсивным использованием падины 4 под пашню в прошлом и более поздним сроком выхода её из сельскохозяйственного использования.
Участки (с 7-ого по 18-й) находятся на межпадинной равнине и заложенные на них почвенные разрезы включают два основных типа почв солонцового комплекса: солончаковые солонцы микроповышений и лугово-каштановые почвы западин.
Участки 19 и 20 активно, но по-разному используются птицами. Участки расположены в падинах с лесными культурами и вместе с участками 1 и 2 были выбраны для исследования зоогенного привноса и перераспределения в искусственных лесных биогеоценозах соединений азота. Интенсивность использования насаждении птицами оценивалась А.В. Быковым (Ржезникова и др., 1992) по запасу в подстилке и на поверхности почвы костных остатков и іастролитов (мелких камешков), остающихся после разложения погадок. Эти запасы колебались от 0,4±0,02 г/1 м на участке 1, практически не исполь 34 серых ворон. В смешанных культурах вяза приземистого и дуба черешчато-го (участок 20), где более 30 лет существовала большая колония грачей, запасы гастролитов в подстилке были максимальны - 3680±74 г/м2.
Участок 19 расположен в падине № 5, недалеко от падины №4, участок 20 — в падине на участке Гослссополосы И-Ю.
Падины
Почвы падин по современной классификации могут-быть отнесены к типу каштановых гидрометаморфизированных (AJ-BMK-CATq-Cca,q) (Классификация ..., 2004), а по классификации 1977 года (Классификация..., 1977) к лугово-кашгаповым выщелоченным, среднемощным. Традиционное название, принятое и используемое на Джаныбекском стационаре с 50-х годов прошлого века - темноцветные чериоземовидные почвы падин (описание разреза дано в приложении). На лесных участках типовая принадлежность почв не изменяется.
Участок 1 расположен в падине №1. Разрезы 1 и 1А находятся в нескольких метрах друг от друга, разрез 1А был заложен на три года раньше. В образцах этого разреза определялись содержание и фракционный состав гумуса. Все остальные определения, а также измерения общего содержания гумуса проводили в образцах разреза 1. На участке развита целинная растительность с преобладанием типчака и степного разнотравья. На поверхности почвы имеется степной войлок мощностью 1-2 см.
Участок 2 расположен в той же падине под культурой луба черешчато-го 48-летнего возраста. На участке проводились рубки ухода. Расстояние между деревьями около 2 м, в ряду - 1,5 м, Н=15 м, Д=23 см. Развит мощный подлесок из жимолости татарской, крушины слабительной, смородины золотой, бересклета бородавчатого, черемухи виргинской. На поверхности почвы образовалась подстилка мощностью 5-7 см из полуразложившихся листьев, веточек, перегнойного материала, пронизанного гифами грибов. В почву были иитродуцированы черви рода Eisenea nordenskioldi, способствующие переработке материала подстилки. Горизонт А1 имеет хорошо выраженную
ч 35 копрогенную структуру. Участок исследовался для выяснения роли зоо ных факторов в перераспределении н аккумуляции азота, поэтому необходимо отметить, что здесь нет сколько-нибудь постоянных скоплений птиц, лишь осенью ночуют стаи витютней и грачей. Участок с высокой плотностью заселен лесной мышью.
Участок 2А расположен в падине №1 под культурой дуба черешчатого 48-летнего возраста. На участке не проводились рубки ухода. Расстояние между рядами - 1,5 м, между деревьями в ряду -1 м, Н=12 м, Д=19 см. Горизонт А1 менее тёмный, чем на участке 2 и лишён копрогенной структуры.
Участок 3 расположен рядом в той же падине № I под культурой вяза приземистого 48-летнего возраста. Расстояние между деревьями 1,5 м, между рядами —2 м, Н—21 м, Д—27 см. Хорошо развит подлесок из клена татарского, жимолости татарской, смородины золотой, черемухи виргинской. Мощность подстилки около 5 см. Участок 4 также находится в падине № І и содержи гея под паром в течение 48 лет для оценки возможности пополнения запасов влаги в линзе пресных вод под падиной. Почва лугово-каштановая, выщелоченная, средне-мощная пахотная (Классификация...,1977) или, по классификации 2004 года, агрозём текстурно-карбонатный (Р-САТ-Сса).
Участок 5 расположен в падине № 4 под целинной растительностью с преобладанием типчака и степного разнотравья. Поверхность почвы покрыта степным войлоком мощностью 1-2 см.
Участок 6 находится в падине № 4 пол культурой дуба черешчатого 48-летнего возраста. Н=15 м, Д=23 см. Развит подлесок из жимолости татарской, смородины золотой, шиповника, крушины слабительной. Строение почвенного профиля и гумусового горизонта такое же, как на участке № 5, отличается только наличием лесной подстилки. Подстилка менее мощная, чем иод культурой дуба черешчатого на участке 2 и составляет 4-5 см. Гумусовый горизонт лишён копрогенной структуры, имеет более однородное строение, чем на участке 2
Содержание и запасы органического вещества в исследованных почвах
Автором выполнено определение содержания и группового и фракционного состава органического вещества в почвах больших падин. Данные, относящиеся к гумусному состоянию почв солонцового комплекса, взяты из работ А.В. Колесникова (2004), С.Г Борзенко и др. (2003), Г.С. Базыкиной и Н.А. Титовой (1993), Сиземской М.Л. (1991, 1989), Романенкова (1991), Г.П. Максимюк (1989), В.А. Девятых (1970).
Лугово-каштановые почвы больших падин Содержание и запасы гумуса
Данные по содержанию гумуса в образцах из разрезов № 1 и 1А и из четырех скважин, расположенных на расстояние нескольких метров друг от друга и от указанных разрезов на участке 1 (под целинной стенной растительностью), довольно близки между собой (рис. 1а). Они сходны с результатами, полученными ранее для разрезов в восточной части (разрез 19 Роде и Польского, 1960) и в юго-западной части падины (разрез 19а Роде, Ярилово и Рашевской, 1960). В работах А. А. Роде и др. содержание гумуса в дерновых горизонтах не определялось, т. к. почвы были распаханы. Ноль па оси ординат на рисунке соответствует началу гумусового горизонта. В наших данных, представленных на рис. 1а, есть показатели, относящиеся к дерновому горизонту, они находятся выше нулевой отметки. Серым пунктиром закрашены области доверительных интервалов, рассчитанных поданным четырёх скважин до глубины 40 см. Содержание гумуса на участке №1 (рис. 1а) в горизонте Ад составляет около 6 %. В верхней части горизонта AI почвы под степной растительностью оно равно примерно 4 %, т.е., его можно оценить как среднее, но градациям Д.С. Орлова (2005). В нижней части горизонта А1 оно составляет около 3 %, что соответствует низкому содержанию по градациям Д.С. Орлова. По профилю содержание гумуса убывает постепенно, снижаясь в горизонтах Почвы больших падин являются достаточно специфическими интра; иальными образованиями, классификационное положение которых не вполне ясно, и обсуждалось в работах ряда авторов (Большаков, 1937; Иванова, 1949; Роде, 1960; Вишневская, 1964). Этим почвам свойственен мощный ост-руктуренный темно-серый гумусовый горизонт, не характерный для зональных почв полупустынной зоны. Неоднозначность их классификационного положения отразилась в названиях, используемых авторами.
Подчёркивая специфику почвообразования в почвах больших падин и западин, А.Ф. Большаков (1937) называет их темноцветными почвами. Л.Л. Роде и М.И. Польский (1961) употребляют название темноцветные чернозё-мовидные почвы больших падин, которое часто использовалось в более поздних литературных источниках. Л.Л. Роде (1960) отмечал, что по морфологическим свойствам почвы падин Джаныбекского стационара похожи на выщелоченные чернозёмы.
Ряд исследователей (Иванова, 1949; Вишневская, 1964), исходя из того, что данные почвы расположены в зоне каштановых почв и имеют дополнительное поверхностное увлажнение и подпитку грунтовыми водами, относят их к лугово-каштановым почвам. И.Ф. Садовников (1952) относит их к темноцветным почвам понижении типа южных чернозёмов, считая, что но почвам понижений происходит сдвиг зон с севера на юг.
Мы провели сравнительный анализ запасов гумуса в почвах больших падин с запасами гумуса в других типах почв, близких к ним по морфологии. Данные по запасам гумуса, приведённые в работе Д.С. Орлова и О.Ы. Бирюковой (1995) для лугово-каштановьгх почв, составляющие 180-236 т/га в метровой толще, примерно соответствуют полученным нами данным для почвы под целинной растительностью участка 1 в падине № 1.
Запасы гумуса в почве этого участка существенно меньше, чем в выщелоченных чернозёмах. В последних запасы гумуса составляют 178 т/га в слое 0-20 см и 488 т/га в слое 100 см (Орлов, 2005); по другим данным они оставляют 140-200 т/га в слое 0-20 см и 360-548 т/га в слое 100 см (Орлов, Бирюкова, 1995). В южных черноземах, по данным, приведенным в последней работе, содержатся примерно такие же запасы іумуса, как в почвах падин - 82-94 т/га в слое 0-20 см и 221-330 т/га в слое 1 м.
По запасам гумуса почвы пади 11 также близки к темно-каштановым почвам сухостепной зоны — 87 и 255 т/га, соответственно (Орлов, Бирюкова.).
По современной классификации (Классификация..., 2004), темно-каштановые почвы и выщелоченные и оподзоленные черноземы относятся к отделу аккумулятивно-гумусовых почв, соответствуя типу черноземов текстурно-карбонатных и черноземов глинисто-иллювиальных.
Таким образом, по содержанию и запасам гумуса современные почвы больших падин близки к лугово-каштановым почвам и текстурно-карбонатным и глинисто-иллювиальным черноземам. Поэтому для исследованных почв представляется вполне оправданным использование в рамках данной работы названия «лугово-каштановые почвы». Вместе с тем, можно предположить, что до начала их интенсивного сельскохозяйственного использования, запасы гумуса в них были существенны больше.
