Содержание к диссертации
Введение
1. Биологические свойства почв 9
1.1. Биологическая активность почвы 9
1.2. Почвенная фауна 12
1.3. Микрофлора почв 18
1.4. Дыхание почвы 28
1.5. Ферментативная активность почв 30
1.6. Гумусное состояние 33
2. Методология и методы исследований 37
2.1. Методология исследования и оценки биологического состояния почв 37
2.2. Объекты и методы исследований 43
2.3. Статистическая обработка результатов 54
3. Оценка различных биологических показателей в диагностике и мониторинге почв 57
4. Физико-географические условия района исследования 66
4.1. Местоположение и геоморфология 66
4.2. Почвообразующие породы 69
4.3. Климат 70
4.4. Почвенный покров юга России 78
5. Биологические свойства почв юга России 85
5.1. Черноземы 85
5.2. Сухостепные почвы 141
5.3. Лесные почвы предгорий и гор 164
5.4. Почвы влажных субтропиков 206
5.5. Высокогорные почвы 219
6. Географические особенности биологических свойств почв юга России 239
6.1. Географические особенности биологических свойств почв Северного Кавказа 239
6.2. Эколого-географические закономерности биологических свойств юга России 265
7. Изменение биологических свойств почв под влиянием антропогенных факторов 282
7.1. Биологические особенности локально-гидроморфных почв Ростовской области 282
7.2. Изменение биологических свойств почв юга России при сельскохозяйственном использовании 301
7.3. Изменение биологических свойств черноземов при внесении сверхвысоких доз удобрений 303
7.4. Дегумификация почв 307
7.5. Влияние химического загрязнения на биологические свойства почв 316
Выводы 321
Литература 325
Приложения 377
- Почвенная фауна
- Сухостепные почвы
- Географические особенности биологических свойств почв Северного Кавказа
- Влияние химического загрязнения на биологические свойства почв
Введение к работе
Актуальность темы. Несмотря на то, что огромная роль почвы в функционировании биосферы общеизвестна и она, являясь частью любого наземного биогеоценоза и биосферы в целом, обеспечивает стабильность биосферы (Добровольский, Никитин, 1986, 1990; Розанов, Розанов, 1994 и др.), географические закономерности заселенности почв разными формами жизни, их влияние друг на друга и на свойства самих почв изучены недостаточно. Из всех почвенных свойств наиболее изучено плодородие, тесно связанное с функционированием живых организмов. Сведения о биологических свойствах почв Юга России, о влиянии на них разных антропогенных факторов отрывочны и неполны. Многие аспекты биологического состояния почв не раскрыты. В связи с этим возникают трудности при диагностике и мониторинге почв.
Биомониторинг, биодиагностика и биоиндикация почв приобретают все большее значение, как для проведения научных исследований, так и для выполнения практических производственных мероприятий. Методы почвенной микробиологии, биохимии и зоологии применяются для характеристики биологического состояния почв и его изменения под действием различных антропогенных факторов. Эти методы широко используются специалистами в области экологии, почвоведения, охраны окружающей среды и т.д.
Цель работы - установить географические закономерности биологических свойств зональных почв Юга России и их изменение при разных антропогенных процессах.
Задачи исследования: 1) разработка методологии исследований биологических свойств почв; 2) исследование биологических параметров почв Юга России; 3) определение географических закономерностей биологических свойств почв Юга России; 4) выявление изменения биологических свойств почв при различных видах антропогенного воздействия.
Объекты и методы исследований. Объектами исследований были зональные почвы разных природных зон Юга России: разные подтипы черноземов (обыкновенные, типичные, выщелоченные, южные) настоящих степей; каштановые, лугово-каштановые почвы и солонцы сухих степей; черноземы слитые, серые лесостепные и бурые лесные слабоненасыщенные почвы предгорной лесостепи; желтоземы, желто-бурые и бурые лесные остаточно-
РОС НАЦИОНАЛЬНАЯ|
БИБЛИОТЕКА I
OS »0
#&»
карбонатные почвы влажных субтропиков; бурые лесные кислые почвы среднегорных лесов; дерново-карбонатные, луговые альпийские и субальпийские почвы высокогорий Кавказа. Кроме того, были определены фаци-альные различия биоты и биологической активности черноземов обыкновенных. В каждой из природных зон проводили исследование и сравнение между собой целинных (залежных) почв и почв с разной сельскохозяйственной нагрузкой: пашня, пастбища и т.д.
В работе был использован широкий набор показателей биологического состояния почв: микробиологических (численность и качественный состав бактерий: аммонифицирующих, амилолитических, спорообразующих, олиго-трофных, азотфиксирующих; актиномицетов, микроскопических грибов и др.), зоологических (численность и видовой состав мезофауны и микроарт-ропод), биохимических (активность почвенных ферментов, продуцирование почвой углекислого газа, гумусное состояние) и др. Всего было исследовано более 50 показателей.
В процессе исследований был применен комплексный подход к изучению различных аспектов биологии почв. Анализировался комплекс природных объектов и процессов, определяющий биоэкологические свойства почвы и их устойчивость к загрязнению и другим антропогенным воздействиям. Исследование находится на стыке многих наук — почвоведения, экологии, агрохимии, биохимии, микробиологии, экотоксикологии, геохимии, географии, природопользования и охраны окружающей среды. В работе использованы методы полевых и лабораторных исследований, метод моделирования, профильно-генетический - и сравнительно-географический методы, био- и геостатистические методы и др.
Научная новизна работы -
-
Установлены эколого-географические закономерности биологических свойств зональных почв Юга России.
-
Предложен набор критериев, характеризующих пригодность биологических показателей для диагностики и мониторинга почв и на его основе определены показатели биологических свойств почв, отражающие неоднородность географических условий. Разработан и применен метод интегральной биологической оценки состояния почвы.
-
Проведена комплексная оценка различных показателей состояния био-ты, биологической активности основных почв разных природных зон Юга России.
-
Установлено, что при сельскохозяйственном использовании почв разных природных зон происходит нивелирование географической неоднородности биологических свойств.
-
Выявлены закономерности влияния загрязнения почв различными веществами (тяжелые металлы, нефть и нефтепродукты, пестициды) на комплекс биологических свойств и процессов.
-
Установлены закономерности изменения биологических параметров почв при их сельскохозяйственном использовании, вторичном гидро-морфизме и др.
Основные защищаемые положения.
-
В географических исследованиях и при оценке антропогенного воздействия биологическая активность почв как многокомпонентная система представлена интегральным показателем биологического состояния (ИПБС), включающим в себя биологические и биохимические составляющие.
-
Биологические свойства разных почв имеют географические особенности, отражающие индивидуальные различия зональных почв Юга России.
-
Биологические различия разных типов почв Юга России тем сильнее, чем больше отличаются географические параметры среды. При этом максимальными различиями обладают целинные почвы. Различия между максимальным и минимальным значениями ИПБС в целинных почвах Юга России превышают 10 раз.
-
При распашке или ином сельскохозяйственном использовании почв происходит сглаживание географических различий биологических свойств почв разных природных зон и фаций. При сравнении пахотных почв амплитуда значений ИПБС не превышает 3-х раз.
-
Почвы с высоким уровнем биологической активности сильнее противостоят негативным воздействиям. Деградированные почвы независимо от их таксономической принадлежности и географического положения обладают сходной низкой биологической активностью и устойчивостью.
Практическая значимость работы. Материалы исследований могут быть использованы и используются научными и природоохранными организациями при оценке воздействия на окружающую среду (ОВОС), биоиндика-
ции и биодиагностике деградационных изменений в почве, биомониторинге состояния почв, естественных и антропогенно-нарушенных экосистем, экологическом нормировании загрязнения почв, разработке методов санации загрязненных почв, определении предельно допустимой антропогенной нагрузки на территорию, создании экологических карт (районирования, фактологических и прогнозных), прогнозировании экологических последствий определенной хозяйственной деятельности на данной территории и других научных и природоохранных мероприятий. Материалы исследований используются при преподавании дисциплин по почвоведению, экологии, природопользованию, охране окружающей среды, экологической экспертизе, мониторингу и биоиндикации в Ростовском госуниверситете и других вузах.
Настоящие исследования поддержаны: хоздоговорными темами — номер госрегистрации 01.9.20.008231 (1991-1993), «Изучение причин деградации почв предгорий Кубани» (1993-1995); Федерально-целевой программой «Интеграция» - проекты К0752 (1997-2003) и №5.1-116 (1998-2001), Министерством образования РФ — грант НТИ 87.21.23 (1998-2000), проектом Комитета по экологии при Администрации Ростовской области (2001).
Апробация работы. Материалы диссертации были представлены более чем на 40 научных конференциях, совещаниях, симпозиумах, съездах, конгрессах.
Личный вклад автора. Основу диссертации составляют оригинальные материалы, полученные лично автором или под его руководством в результате экспедиционных, модельных и аналитических исследований (1993-2004 гг.).
По теме диссертации опубликовано более 140 научных работ, среди которых 5 монографий, 23 статьи в журналах «Экология», «Почвоведение», «Агрохимия», «Научная мысль Кавказа», «Известия ВУЗов. Северо-Кавказский регион», «Эколого-географический вестник Юга России» и др. 24 работы опубликованы на английском языке.
Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 3#3 страницах машинописного текста, список литературы из 720 наименований, а также 8 приложений, 92 таблицы, 50 рисунков, 19 фотографий.
Автор глубоко признателен специалистам, принявшим участие в исследованиях. Полевые исследования почв ряда районов были проведены совместно с д.с.-х.н. Н.Б. Хитровым (Почвенный институт РАСХН им. В.В. Доку-
чаева), д.б.н. О.Г. Назаренко (ДГАУ), к.б.н. Ю.А. Чумаченко, к.б.н. О.Л. Локтионовой (Кавказский биосферный заповедник). Почвенную фауну исследовали совместно с сотрудниками РГУ к.б.н М.Г. Сизовой, д.б.н. А.А. Казадае-вым и A.M. Кременицей. Видовой состав мезофауны почв каштаново-солонцовых комплексов устанавливали совместно с к.б.н. СВ. Утянской и к.б.н. Ю.Г. Арзановым. Идентификацию микроорганизмов проводили совместно с сотрудниками кафедры микробиологии РГУ к.б.н. Е.В. Патрушевой, Н.В. Велигоновой и НИИ Биологии РГУ к.б.н. Л.Ф. Гайдамакиной. Большую помощь в аналитическом обеспечении исследований оказали аспиранты и студенты кафедры экологии и природопользования РГУ. На всех стадиях исследований большую помощь оказали д.б.н. В.Ф. Вальков и д.с.-х..н. СИ. Колесников. Автор глубоко признателен за помощь д.б.н. О.С Безугловой и Р.В. Кузнецову (кафедра агрохимии и почвоведения РГУ).
Почвенная фауна
Важнейшую роль в круговороте веществ в природе, почвообразовании, плодородии почв играют животные. Почвенный зоологический мир по многообразию значительно превосходит мир наземных животных (Гиляров, Криволуцкий, 1995; Миноранский, 1996, 2002). В почве обитает огромное количество видов простейших, червей, насекомых и их личинок, многоножек, клещей, ногохвосток, мокриц и др. Вся их жизнедеятельность и жизнеобитание взаимообусловлены между собой и экологическими факторами. В глобальном масштабе видовое разнообразие фауны почвенных беспозвоночных (геобионтов и геофилов) составляет примерно треть от общего числа известных видов (Стриганова, 1999). В одном местообитании встречается до нескольких сотен видов беспозвоночных, относящихся к одной размерной группировке. Показатели локального разнообразия животного населения в почве выше, чем в наземном ярусе: среднее видовое богатство почвенной фауны в расчете на единицу площади (альфа-разнообразие) оказывается превышает таковое в наземной среде. Если принять во внимание, что в почвенном профиле животное население сосредоточено лишь в верхнем горизонте, то индекс разнообразия средоточено лишь в верхнем горизонте, то индекс разнообразия видов на единицу объема оказывается еще выше, чем, например, в растительном ярусе.
М.С. Гиляровым (1949) установлена зависимость между уровнем численности и размерами животных. Размеры почвообитающих беспозвоночных различаются на 5 порядков (от 5 микрон до 25 см), а уровни их численности варьируют от десятков до сотен тысяч особей на 1 м2, увеличиваясь по мере снижения размеров животных (табл. 1.1). Однако, даже филогенетически очень далекие организмы (микробы, беспозвоночные, позвоночные), принадлежащие к близким трофическим группам, дают величины биомассы одного порядка (Чернов, 1975).
Деятельность почвенных животных является одним из основных факторов формирования почвенного покрова и его плодородия. Почвенная фауна имеет большое значение в обогащении почвы ферментами, витаминами и микроэлементами (Гиляров, 1949. 1951; Пономарева, 1950; Стриганова, 1970; Пономаренко, 1972; Пономаренко и др., 1974; Hartenstein, 1982; Ross, Caims, 1982 и др.). Почвенный покров вместе с его обитателями играет роль универсального биологического сорбента и нейтрализатора загрязнений, минерализатора различных органических веществ (Ковда, 1981).
В разных типах почв и растительных ассоциаций показатели обилия почвенных животных кардинально различаются. Наиболее разнообразны комплексы беспозвоночных в лесных почвах умеренного и тропического пояса и луговых степей, то есть в областях с наиболее оптимальным для животных сочетанием тепла и влаги. При этом соотношения обилия отдельных размерных групп в почвах разных климатических поясов широко варьируют (Гиляров, 1976).
Величина биомассы животных в почве варьирует в пределах от сотен миллиграммов до сотен граммов в 1 м2 (Гиляров, 1965; Криволуцкий и др., 1985; Гиляров, Криволуцкий, 1995; Стриганова, 1999). Мелкие животные дают ощутимый вклад в общую зоомассу почвы. Существует обратная зависимость интенсивности обмена веществ от размеров (массы) организма. Чем мельче животное, тем больше оно расходует кислорода на единицу веса его тела (Криволуцкий и др., 1985; Стриганова, 1999).
Максимумы первичной продукции и массы почвенных обитателей отмечены в широколиственных лесах. К северу и югу по мере отклонения гидротермического режима почвы от оптимума зоомасса педобионтов снижается. Однако следует отметить, что в средней тайге и тундре величина зоомассы на порядок ниже, чем в широколиственных лесах, а к югу от лесного пояса она снижается лишь втрое. Разница показателей зоомассы почвенных животных степей и пустыни незначительна - 29,0 и 25,1 г/м (Стриганова, 1999). Такая явление объясняется тем, что в высоких широтах основу животного населения составляют мелкие размерные категории - нано- и микрофауна с относительно низкой суммарной биомассой. По мере продвижения на юг в почвенных сообществах начинают все большую роль играть крупные животные (мезофауна). В почвах аридных районов они доминируют по численности и видовому разнообразию.
Показатели обилия (численность и биомасса), безусловно, являются интегральными характеристиками, отражающими степень заселенности почвы животными. Однако, они не могут быть адекватной мерой напряженности биологических процессов, принимая во внимание высокое таксономическое, экологическое и функциональное разнообразие животного населения. Одной из важных функциональных характеристик животного населения, как компонента почвенной биоты, является интенсивность суммарного метаболизма (Чернов, 1975; Стриганова, 1999). Дыхание почвенной фауны составляет лишь 15% от общего дыхания почвенной биоты, причем, 7-8% приходится на долю почвенных простейших (Стриганова, 1999).
По степени связи почвенных беспозвоночных с почвенной средой М.С. Гиляровым (1949) были выделены три основные группы: 1) геобионты - беспозвоночные, обитающие в почве в течение всего жизненного цикла (дождевые черви, микроартроподы, многоножки, многие насекомые и др.); 2) геофилы -беспозвоночные, у которых отдельные стадии развития тесно связаны с почвой (личинки крылатых насекомых); и 3) геоксены - беспозвоночные, кратковременно находящиеся в почве в поисках укрытия и защиты от неблагоприятных погодных условий, хищников и пр.
В большинстве работ в составе животного населения почвы выделяются 4 основные трофические группировки - сапрофаги, фитофаги, хищники и миксо-фаги (формы со смешанным питанием). В умеренном поясе в трофической структуре доминируют сапрофаги по численности и биомассе. В широколиственных лесах и луговых сообществах доля сапрофагов составляет 70-80% от общей зоомассы (Гиляров, 1965; Криволуцкий и др., 1985; Миноранский, 2002).
В разложении мертвой органики основную роль играют беспозвоночные животные. В огромном количестве в почвах обитают простейшие (корненожки, жгутиконосцы и инфузории). Их численность достигает миллионов и даже миллиардов особей на 1 м , а биомасса — до 2-20 г/м или нескольких центнеров на гектар (Стриганова, 1999). Их основная пища — бактерии, однако, они съедают лишь малую часть последних.
Микроартроподы включают несколько крупных таксонов членистоногих. Критерием для выделения этой группировки является размер животных (Гиляров, 1949). В естественных почвенных скважинах живут многие группы микрофауны (размеры от 0,1 до 2-3 мм), из которых надо особо выделить панцирных клещей или орибатид (паукообразные) и ногохвосток (низшие насекомые). Панцирные клещи и коллемболы являются деструкторами растительного опада, их роль неоценима в процессе гумификации почв. Они являются наиболее активными разрушителями растительных остатков среди организмов почвенной микрофауны (Криволуцкий, 1991). Плотность орибатид и ногохвосток достигает десятков — сотен тысяч, иногда миллионов особей на 1 м2 почвы (Криволуцкий, 1991; Казадаев, 1995; Кременица, Казадаев, 1996, 1998; Кременица и др., 2003). Гамазовые клещи ведут хищный образ жизни и связаны пищевыми взаимоотношениями с ногохвостками. Темпы деструкции, характер трансформации органических веществ определяются трофической активностью коллем-бол, структурой сообщества и их суммарной численностью (Симонов, 1991). Питаясь бактериями, гифами и спорами грибов, многие коллемболы стимулируют их рост и размножение, способствуют расселению микрофлоры в почве и растительном опаде (Jacot, 1936; Fonsslund, 1930; Gisin, 1952, 1960; Dunger, 1956; Schuster, 1956; Чернова, 1977; Petersen, Luxton, 1982).
Сухостепные почвы
К сухостепным почвам относятся почвы каштановые, лугово-каштановые почвы, солонцы, чаще всего встречающиеся в комплексах. Эти почвы подробно описаны в литературе (Захаров, 1946; Акимцев, 1957; Сади-менко, 1966; Антыков, Стомаров, 1970; Дегтярева, Жулидова, 1970; Залибе-ков, 1975, 1996; Керефов, Фиапшев, 1976; Керимханов, 1976; Минкин и др., 1980, 1982, 1986; Бакинова и др., 1999; Вальков, Колесников, Казеев, 2002).
Тип каштановых почв состоит из следующих генетических горизонтов (рис. 5.1):
А - гумусовый горизонт каштанового цвета с сероватым или коричнево-серым оттенком. В естественном состоянии структура мелкозернисто-порошистая, часто с поверхности слоеватая. При распашке становится глыбистой и порошистой. Мощность горизонта 15-30 см. В целинных и длительно залежных почвах формируется Ад (дерновый горизонт).
АВ — гумусовый переходный (каштановый метаморфический) горизонт светлее предыдущего серо-буроватый, каштановый с признаками призмо-видности. Обычно вскипает от НС1. Нижняя граница горизонта 45-60 см.
В - переходный горизонт неоднородно-окрашенный с гумусными пятнами и языками. Неоднородность окраски усиливается пятнами кротовин, гумусированными ходами червей и новообразованиями карбонатов. Мощность горизонта около 10 см.
Вса (Сса) - иллювиальный десуктивно-карбонатный горизонт. Пропитан карбонатами кальция. Новообразования карбонатов выделяются в виде обильной белоглазки, прожилок или мучнистых скоплений. Нижняя граница горизонта прослеживается до глубины 100-150 см.
BcsSa (CcsSa) - иллювиальный горизонт скопления гипса и легкорастворимых солей. Выделения карбонатов редкие. Гипс в виде друз, гнезд, прожилок. В нижней части горизонта могут появляться выделения легкорастворимых солей. Нижняя граница профиля расположена на глубине 180-250 см.
С - материнская порода различного генезиса.
Таким образом, тип каштановых почв определяют гумусовые горизонты А+АВ и солевые горизонты Bca+BSa. Мощность гумусового профиля всего около 50 см, профиля почвы в целом около 200 см.
Каштановые почвы формируются под влиянием сухостепной растительности, покров которой изреженный и низкорослый, со степенью покрытия около 50-70 %. Биомасса в среднем около 100-200 ц/га, при этом 90 % ее приходится на корневые системы трав (Базилевич, 1996).
Выщелачивание и миграция простых солей детерминируется господством непромывного водного режима в почвах. Все осадки от дождей и таяния снега остаются в профиле почв и не поступают в грунтовые воды. В результате явлений выщелачивания и миграции простых солей в каштановых почвах формируются два четко дифференцированных солевых горизонта: карбонатный иллювиально-десуктивный (Вса) и иллювиальный горизонт простых солей и гипса (Bcssa)- Нижняя граница солевого профиля находится на глубине 150-200 см.
Солонцовый процесс в разной степени интенсивности и распространенности постоянно сопровождает каштановые почвы. Наложение солонцового процесса на зональное проявление дернового процесса и гумификации - одна из важнейших особенностей в зоне каштановых почв. В присутствии поглощенного натрия, обусловливающего щелочные свойства почв и образование соды, почвенные коллоиды приобретают высокую дисперсность и большую подвижность в воде. Структурные элементы под действием воды разрушаются, размокают. Для солонцеватых почв характерны высокая гигроскопичность, низкая водопроницаемость и высокое содержание недоступной для растений влаги. Солонцовые свойства возрастают по мере насыщения коллоидов натрием и достигают максимума при содержании натрия более 20 % от емкости обмена. Подвижность коллоидов в водной среде солонцеватых почв приводит к элювиально-иллювиальной дифференциации минеральной массы в гумусовых горизонтах. Каштановые солонцеватые почвы обедняются илом в горизонте А и обогащаются им в горизонте АВ.
Каштановые почвы Юга России относятся к двум фациям: южноевропейской и восточно-европейской.
Для каштановых почв типично количество выпадающих осадков 250-350 мм при коэффициенте увлажнения Ку=0,33-0,55. Однако у фаций существенно отличаются зимние температуры. Профиль каштановых почв восточноевропейской фации находится в состоянии мерзлотного покоя в течение 3-4 месяцев. Наиболее суровые и континентальные условия в пределах Заволжской провинции (северо-восточная часть Волгоградской области). Донская провинция темно-каштановых и каштановых почв (Ростовская, Волгоградская области, Ставропольский край, северная часть Кабардино-Балкарии) и Прикаспийская светло-каштановых почв (Астраханская, частично Дагестан и Чечня) отличаются теплой зимой, а почвы промерзают на 2-3 месяца.
Для каштановых почв восточно-европейской фации в Донской провинции общеприняты следующие типовые признаки: темно-каштановые почвы имеют мощность гумусовых горизонтов (А+АВ) 45-60 см, содержание гумуса в горизонте А 3,5-4,0 %; каштановые почвы — мощность 35-45 см, содержание гумуса 2,5-3,5 %; светло-каштановые — мощность 30-35 см, содержание гумуса 1,5-2,5 %.
Главный регион страны распространения солонцов — районы с каштановыми почвами. Намного реже они встречаются в черноземной зоне и среди бурых полупустынных почв. На надпойменных террасах степных рек в структуре почвенного покрова значительна роль солонцов. Солонцы сплошного распространения, как правило, не имеют, а встречаются в комплексах с другими почвами. Площади, занимаемые солонцами в комплексах, варьируют от 5 до 75 %.
Солонцами называют почвы, содержащие в коллоидах иллювиального горизонта обменный натрий в количестве более 15 % от емкости катионного обмена. Почвы с содержанием в ППК обменного натрия менее 15 % относят к солонцеватым. Солонцеватые почвы выделяются в классификации как роды черноземов, каштановых и других типов почв. Следует отметить, что обменный натрий встречается практически во всех почвах, но его количество не превышает 3 %. Это тот максимальный предел, который необходим для нормальной жизнедеятельности растений.
Строение и свойства солонцов варьируют в зависимости от типовых, подтиповых, родовых и видовых признаков, однако все солонцы имеют следующее морфологическое строение (рис. 5.1).
А - надсолонцовый: гумусово-элювиальный (АО, дерновый (Ад), осолоделый (А2) облегченного гранулометрического состава со сравнительно благоприятными агрономическими свойствами. В этом горизонте сосредоточена практически вся масса корней растений. Это биологически активный горизонт, обладающий плодородием. Его экологические свойства определяют объем биологической продуктивности всего биоценоза. Главным фактором продуктивности является влагообеспеченность, меняющаяся в зависимости от мощности горизонта, а она варьирует у разных видов солонцов от 3 до 25 см.
BNa - солонцовый иллювиальный гумусовый тяжелого гранулометрического состава, грубой столбчато-призматической, глыбистой или ореховатой структуры. Имеет крайне неблагоприятные для растений физические и водные характеристики, содержит обменный натрий и соду (ТЧа2СОз, NaHC03), высоко щелочной. Практически недоступен для корней растений.
BcaCs (CcaCs) - подсолонцовый иллювиально-десуктивно-карбонатный и гипсовый. Присутствует белоглазка, скопления гипса.
BcsSa (CcsSa) - иллювиальный горизонт максимального скопления легкорастворимых солей и гипса. Присутствуют также новообразования СаС03. Содержащиеся легкорастворимые соли токсичны для растений. Общая мощность солонцов варьирует в зависимости от их географического распространения от 40 до 100 см.
Образование солонцов происходит в результате комплексного проявления следующих почвообразовательных процессов: солонцовый, осолодение, элювиально-иллювиальная дифференциация профиля почвы, дерновый, вы 145 щелачивание (Вальков и др., 2001; Хитров, 2004). Таким образом, в солонцах образуется резко дифференцированная по составу и свойствам почвенная толща: верхний элювиальный горизонт А, обедненный илистыми частицами и полуторными окислами, обогащенный S1O2, и нижний иллювиальный горизонт BNa, с накоплением в нем пептизирующихся коллоидов. Коллоиды оказываются замкнутыми в пределах иллювиального горизонта. Проникновению их в глубь препятствует карбонатный и гипсовый барьер, вызывающий выпадение коллоидов в осадок.
Выщелачивание и миграция легкорастворимых солей, CaS04, СаСОз под воздействием нисходящих токов воды приводит к освобождению элювиально-иллювиальной почвенной массы от простых солей и формированию ниже этой толщи солевых горизонтов скопления карбонатов, гипса, хлоридов кальция, магния, натрия, сульфатов магния и натрия. Солевой горизонт солонцов является постоянным резервом натрия, обеспечивая устойчивость солонца в природе и возможность реставрации солонцовых свойств.
Дерновый процесс охватывает только элювиальную толщу солонцов, т.е. горизонт А. Он обеспечивает жизнедеятельность травянистой растительности и, в сущности, всю биоценотическую функцию солонца.
В субстантивно-генетической классификации солонцы черноземные названы солонцами темными, солонцы каштановые и солонцы бурые полупустынные - солонцами светлыми. Солонцы лугово-черноземные и солонцы лу-гово-каштановые — соответственно солонцами криптоглеевыми темными и светлыми. Выделяются также типы агросолонцов темных и агросолонцов светлых с подтипами типичных, засоленных, агрогетерогенных и агрогенно-переуплотненных солонцов.
Географические особенности биологических свойств почв Северного Кавказа
В настоящем разделе приведен материал по основным почвам Северного Кавказа, полученный в ходе экспедиций, проведенных в 2002 г. (Казеев, Внукова, 2002; Казеев, и др., 2003).
В конце мая 2002 г. была проведена комплексная экспедиция для оценки биологического состояния основных зональных почв Северного Кавказа, занимающих практически всю территорию Северного Кавказа. Объектами исследования были основные зональные почвы Северного Кавказа: разные подтипы черноземов, бурые лесные почвы под разными типами леса (пихта, бук, криволесье), горно-луговые субальпийские почвы. Эти почвы подробно описаны в научной литературе (Чумаченко, 2001; Вальков, Казеев, Колесников, 2002; Вальков, Штомпель, Тюльпанов, 2002; Локтионова, 2002). Погодные условия на момент проведения исследований для биологической активности очень напряженные, на равнинных участках Северного Кавказа - сильная и продолжительная засуха, в горах - по термическим условиям (низкая температура, на субальпийских лугах только что сошел снег).
Бассейн реки Молчепы, где были проведены исследования, представляет собой один из типичных участков природного комплекса Северо-Западного Кавказа.
Луговая субальпийская почва расположена на пастбище Абаго на высоте около 1800 м н.у.м. На месте разреза снег сошел не более месяца назад. Растительность представлена субальпийским разнотравьем. В момент исследований растения были не выше нескольких сантиметров, а в летние месяцы поднимаются выше 1-1,5 м.
Горная лесо-луговая почва исследована под березняком разнотравно-вейниковый криволесьем на пастбище Абаго. Высота 1770 м н.у.м. Древесная растительность угнетена. В теплое время года отмечен обильный высокий травостой злаков.
Для исследований горно-лесных почв были выбраны типичные по крутизне и растительности участки. Исследуемые почв имеют высокую щебни-стость, достигающая в нижней части профиля 80% от объема. Разрезы слабо-дифференцированы по цвету. Подстилка покрывает почвы фрагментарно неровным тонким слоем. Бурая лесная кислая сильнощебенчатая под пихтовым мертвопокровным лесом расположена на высоте 1350 м. н.у.м. Бурая лесная кислая среднещебенчатая почва под букняком разнотравно-папоротниковым исследована вблизи пос. Гузерипль на высоте около 700 н.у.м.
Бурая лесная кислая среднесуглинистая почва на элюво—делювии плотных пород (Классификация и диагностика почв СССР, 1977) или горнолесная бурая среднемощная среднесуглинистая среднещебнистая на элюво-делювии плотных пород (Горчарук, 1965) исследована на верхней границе леса, которая в данном районе искусственно снижена до 1800 м н.у.м. Эта часть представлена березовым криволесьем с обильным травяным покровом, под которым формируются почвы переходного типа между горно-луговыми субальпийскими и горно-лесными бурыми почвами. Состав древостоя 9 Бр,1 Пх (пихта во втором ярусе), полнота 0,8, средняя высота 7 метров, средний диаметр 8 см, бонитет Va.
Бурая лесная кислая грубогумусная умеренно теплая промерзающая почва (Классификация и диагностика почв СССР, 1977) изучена в пихтарнике мертвопокровном на высоте 1350 м н.у.м., на юго-западном склоне крутизной 30 градусов. Состав древостоя: 7Пх20с1Бк, 3х ярусный, полнота 1,01, сомкнутость крон 0,9, НсР 24 м, Dcp 46 см.
Аналогичная почва исследована в букняке разнотравно-папоротниковом на высоте 700 м н.у.м., крутизна склона 15 -20 градусов ЮЗЗ экспозиции (нижняя часть склона). Состав древостоя: 6Бк4Пх, полнота 0,8, сомкнутость крон 0,9, Нср 25 м, Dcp 56 см.
Разные подтипы черноземов были исследованы в типичных местах своего распространения - выщелоченные в окрестностях Краснодара и Усть-Лабинска, типичные - район пос. Выселки, карбонатные - Павловской и Ку-щевской. Исследуемые черноземы различаются по степени карбонатности профиля в соответствии с условиями увлажнения, определяемыми теневым эффектом гор Кавказа (Вальков, Казеев, Колесников, 2002). Снижение годового количества осадков приводит к смене черноземов выщелоченных сначала типичными и затем более ксерофитными карбонатными подтипами. Соответственно карбонаты обнаруживаются по наличию вскипания от 10% раствора в черноземах выщелоченных глубже 150-200 см, в типичных — с глубже 50 см, а в карбонатных - с поверхности. Кроме этого по мере удаления от гор Кавказа снижается мощность гумусовых горизонтов черноземов со 170 у выщелоченных до 120 см у карбонатных. Все пахотные почвы на момент исследований заняты зерновыми культурами.
Средние запасы лесной подстилки в березняке разнотравно-вейниковом - 6374, пихтарнике мертвопокровном - 6551, букняке разнотравно-папоротниковом - 9001 кг/га (Локтионова, 2002).
Всем высокогорным почвам характерно очень высокое содержание гумуса. Большинство исследователей почв Кавказа отмечают их высокую гу-мусированность (Фридланд, 1953, 1966; Серебряков, 1959; Орлов и др., 1973; Воробьева, Горчарук, 1978; Геннадиев, 1978; Ромашкевич, 1988; Владычен-ский, 1995). Для разработанной Л.А. Гришиной и Д.С. Орловым (1981) системы показателей гумусного состояния почв, рассчитанную в основном для почв равнинных регионов, Н.Т. Тимухин и Л.Г. Горчарук (1990) предложили ввести дополнительные категории для горных почв: содержание гумуса очень высокое - 10-20%; сверхвысокое - 20%; обогащенность гумуса азотом (C:N) очень низкая - 14-20; сверхнизкая - 20.
Для почв верхней границы леса характерно высокое содержание органического вещества, особенно в горизонте А\: количество гумуса составляет 16-19%, а потери при прокаливании для горизонта A0Ai достигает 29-45% (Локтионова, 2002). Общий запас гумуса в профиле колеблется от 218 т/га до 241 т/га, из которых 61-71 т/га сосредоточены в гумусовом горизонте.
Отношение С : СфК в верхних горизонтах почв (2-4 см, 5-10 см) под пихтарником больше 1, то есть гумус этих почв является фульватно-гуматным (Локтионова, 2002). В остальных изучаемых типах леса, на этой же глубине, Сгк/СфК меньше 1, гумус является гуматно-фульватным. В березняке разнотравно-вейниковом вниз по профилю отношение Сгк/Сфк значительно сужается, и на глубине 40-50 см в составе гумуса преобладают фульвокисло-ты и гумус носит фульватный характер. В горно-лесных почвах показатели оптической плотности гуминовых кислот довольно низкие.
Наши данные подтверждают высокое содержание гумуса в горных почвах. В лесных и, особенно горно-луговых почвах, содержание гумуса очень высоко от 9 до более 20%. Содержание гумуса в пахотных черноземах Предкавказья колеблется в пределах 3-4%.
Дыхание горно-лесных почв возрастает с понижением высоты над уровнем моря (Локтионова, 2002). Исключение составляет почвы под букняком разнотравно-папоротниковым, что может быть связано с особыми климатическими условиями у подножия склона.
Общее количество бактерий, выявленных методом микроскопирования, в поверхностных горизонтах исследуемых почв колеблется в пределах 1,2-6,3 млрдУг и максимально в дерновом горизонте горно-луговой субальпийской почвы (табл. 6.1). Это связано с очень высоким содержанием гумуса (более 22%) и вообще органического вещества (растительные остатки) в нем.
В бурых лесных почвах общая численность бактерий более, чем в 2 раза меньше, чем в горно-луговых. Различные подтипы черноземов характеризуются промежуточными значениями численности бактерий — от 1,2 до 4,5 млрдУг. Профильное распределение бактерий практически полностью совпадает с распределением содержания гумуса. Лишь для микроскопических грибов выявлено более резкое снижение численности, чем содержания гумуса.
Влияние химического загрязнения на биологические свойства почв
Различные химические вещества (тяжелые металлы, пестициды, нефть и нефтепродукты, минеральные соли) оказывают разное влияние на биологические свойства черноземов.
Изменения биологических свойств при загрязнении почв тяжелыми металлами подробно описаны в наших многочисленных работах (Вальков, Колесников, Казеев, 1997 а,б; Колесников, Казеев, 1998, 1999, 2000, 2001, 2002; Колесников, Казеев, Вальков, 1999; 2000, 2001; Колесников, Коваленко и др., 1999; Kolesnikov, Kazeev, 1998, 1999, 2000 а,б,в, 2002 а,б, и др.). На основании проведенных исследований выявлено, что различные химические вещества (тяжелые металлы, пестициды, нефть и нефтепродукты, минеральные соли) оказывают разное влияние на биологические свойства черноземов.
Изменение биологических свойств почв при загрязнении ТМ и другими загрязнителями зависит от природы вещества, содержания его в почве, срока экспозиции.
Загрязнение ТМ отражается на биогенности и активности биохимических процессов в почве (рис. 7.10). Высокие концентрации ТМ ингибируют биологическую активность. Низкие концентрации ТМ, в отличие от высоких, могут оказывать слабое стимулирующее действие на биологическую активность.
Биохимическая активность находится в обратной зависимости от концентраций свинца, цинка и меди в почве, т.е. при загрязнении этими металлами возможно применение биоиндикации с использованием биологических показателей (в первую очередь ферментативной активности).
В результате исследования влияния загрязнения чернозема обыкновенного различными современными пестицидами (инсектицидами, гербицидами и фунгицидами) его биологическое состояние изменяется незначительно и незакономерно (табл. 7.7, 7.8, рис. 7.12, 7.13). При этом виде загрязнения было отмечено изменение биологической активности во всех вариантах. Причем сильного снижения биологических показателей (микрофлоры, ферментативной активности и др.) не отмечено ни на одном варианте. Даже сверхвысокие дозы пестицидов (до 1000 ПДК) не дают однозначного понижения Б А. Наоборот часто внесение пестицидов вызывало достаточно сильное повышение ИПБС по сравнению с контролем (до 200%). Однако какой-либо однозначной закономерности воздействия пестицидов на биологические свойства чернозема обыкновенного выявлено не было. Из этого, возможно, следует, что пестициды не влияют на биологическую активность чернозема обыкновенного, либо существующие ПДК пестицидов для почв существенно занижены. Для выявления закономерностей воздействия пестицидов на биологические свойства почв требуются дальнейшие исследования.
