Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Литературный обзор по проблеме пространственно-временных изменений пахотных серых лесных почв и черноземов лесостепи 12
1.1. Проявление агрогенеза в процессах и свойствах серых лесных почв 13
1.2. Проявление агрогенеза в процессах и свойствах черноземных почв 23
ГЛАВА 2. Объекты и методы исследования 38
2.1. Краткая характеристика ключевых участков исследования 38
2.2. Объекты исследования 41
2.3. Материалы и методы исследования 44
ГЛАВА 3. Изменения автоморфных серых лесных почв лесостепи в процессе распашки 53
3.1. Трансформация профиля и морфологических признаков почв 53
3.2. Изменение объемной массы в почвах изученных агрохронорядов 60
3.3. Структурно-агрегатный состав почв изученных агрохронорядов 62
3.4. Изменение гранулометрического состава почв агрохронорядов 71
3.5. Особенности изменения во времени гумусного состояния изученных почв
3.5.1. Содержание гумуса 75
3.5.2. Запасы гумуса 78
3.5.3. Групповой состав гумуса 80
3.6. Изменение запасов карбонатов в почвах агрохронорядов 83
ГЛАВА 4. Изменения автоморфных лугово-степных черноземов в процессе распашки и смен режимов землепользования 85
4.1. Трансформация профиля и морфологических признаков почв 85
4.2. Изменение объемной массы в почвах изученных агрохронорядов 91
4.3. Структурно-агрегатный состав изученных почв агрохронорядов 93
4.4. Изменение гранулометрического состава почв агрохронорядов 104
4.5. Особенности изменения во времени гумусного состояния изученных черноземов
4.5.1. Содержание гумуса 107
4.5.2. Запасы гумуса 110
4.5.3. Групповой состав гумуса 113
4.6. Изменение запасов карбонатов в почвах агрохронорядов 115
4.6. Трансформация лугово-степных черноземов в агролесомелиоративных ландшафтах 116
4.6.1. Изменение морфологических признаков почвенных профилей 116
4.6.2. Содержание гумуса 118
4.6.3. Запасы гумуса 121
ГЛАВА 5. Общие закономерности агрогенной трансформации почв и почвенного покрова Центральной лесостепи 126
5.1. Закономерности пространственно-временной динамики гумусного состояния пахотных почв Белгородской области 126
5.2. Сравнительный анализ агрогенной трансформации серых лесных почв и черноземов лесостепи Среднерусской возвышенности 143
Выводы 148
Список литературы
- Проявление агрогенеза в процессах и свойствах черноземных почв
- Структурно-агрегатный состав почв изученных агрохронорядов
- Изменение гранулометрического состава почв агрохронорядов
- Сравнительный анализ агрогенной трансформации серых лесных почв и черноземов лесостепи Среднерусской возвышенности
Введение к работе
Актуальность темы. Антропогенные воздействия на почвы сильно возросли на протяжении последних десятилетий, и являются новым и актуальным исследовательским аспектом в почвоведении. (Глазовская, 1986; Иванов, 2002; Носко, 2013; Веремеенко, Фурманец, 2014; Richter et al., 2007; и др.). Однако, механизмы, стадии, тренды и процессы антропогенных изменений почв различных регионов до настоящего времени остаются дискуссионными. Среди многочисленных видов воздействий человека на окружающую среду наиболее древним и кардинальным является агрогенная трансформация почвенного покрова (Александровский, Александровская, 2005; Морковкин и др., 2014; Иванов, Чендев, 2015; Walker et al., 1994; Rapp, 1998; и др.). В процессе агрогенеза в пахотных почвах происходит накопление, а затем закрепление новых признаков и свойств, ряд которых не характерен для естественного почвообразования. Возникает необходимость в исследовании направленности, стадиальности, механизмов и закономерностей изменений, протекающих в агрогенно трансформированных почвах. Особенно актуальны исследования трансформации пахотных почв для староосвоенных земледельческих территорий, что связано с необходимостью поддержания их экологического и экономического благополучия. Одним из таких регионов является лесостепь Среднерусской возвышенности.
Объект и предмет исследования. Главными объектами исследований являются автоморфные почвы восьми агрохронорядов, изученных на территории лесостепной части Белгородской области (четыре агрохроноряда – в пределах ареала распространения серых лесных почв и четыре агрохроноряда – на территории распространения лесостепных подтипов черноземов). Дополнительными объектами исследований были: автоморфные лугово-степные черноземы агролесомелиоративных ландшафтов (изучались почвы угодий, соответствующих стадиальным сменам «целина-пашня-лесополоса»), а также почвенный покров Белгородской области на участках с разной длительностью земледельческого использования (изучался на основе картографического и историко-картографического анализа данных). Предмет исследования – процессы и свойства изменяющихся во времени пахотных почв и почв агролесомелиоративных ландшафтов.
Цель и задачи исследования. Цель исследования – комплексный анализ пространственно-временных изменений показателей плодородия серых лесных почв и черноземов лесостепи в результате их длительной агрогенной трансформации на территории юга Среднерусской возвышенности.
Для реализации поставленной цели решались следующие задачи:
1) определить количественные и качественные изменения показателей поч
венного плодородия в результате агрогенной трансформации свойств серых лесных
и черноземных почв;
2) обосновать процессы и стадии агрогенной трансформации зональных лесо
степных почв;
3) разработать методику комплексного анализа данных почвенно-
агрохимического мониторинга и разновременных карт для обоснования особенно
стей агрогенной трансформации во времени почв и почвенного покрова изучаемой
территории;
-
проанализировать пространственно-временную динамику гумусного состояния пахотных почв Белгородской области на основе данных разновременных туров агрохимического обследования почвенного покрова;
-
изучить закономерности изменений во времени гумусного состояния лугово-степных черноземов в агролесомелиоративных ландшафтах в результате смен целины пашней, а пашни - лесополосами;
-
сравнить направленность агрогенных изменений автоморфных серых лесных почв и черноземов лесостепи на основе анализа протекающих в агропочвах процессов.
Соответствие диссертации паспорту специальности. Тема диссертационной работы соответствует паспорту специальности 25.00.23 – «Физическая география и биогеография, география почв и геохимия ландшафтов»: п. 3. География и картография, происхождение и трансформация почвенного покрова; п.8. Естественная и антропогенная эволюция почв и почвенного покрова; п. 12. География антропогенных ландшафтов и почв, культурной флоры и фауны.
Материалы и методы исследования. Источниковой базой исследования послужили: литературные сведения по изучаемой проблеме, результаты полевых и лабораторных исследований почв, данные почвенно-агрохимического мониторинга почв Белгородской области, разновременные крупномасштабные карты и планы (периодов Генерального (конец 18 в.) и Специального (середина 19 в.) межеваний), современные топографические карты и космические снимки высокого разрешения. Произведен историко-картографический анализ архивных материалов. Использованы возможности ГИС-технологий в обработке карт и космоснимков. Базовым методом исследования послужил подход сравнения естественных почв с почвами разных сроков земледельческого освоения – метод почвенных агрохронорядов (Козловский, 2003; Чендев, 2008; и др.). Лабораторные и камеральные исследования включали разнообразные виды анализа почв, математическую и статистическую обработку данных. Для изучения пространственно-временного изменения гумусного состояния и других агрохимических показателей пахотных почв была разработана авторская методика, продолжающая принципы и подходы, содержащиеся в исследованиях ряда авторов (Чендев, Лицуков, 1997; Чендев и др., 1998; Серикова, 2010). В системе «целина-пашня-лесополоса» исследования проводились по интегрированной российско-американской методике, использованной при изучении почв на территории «кукурузного пояса» США и лесостепи Восточной Европы (Чендев и др., 2015; Sau-er et al., 2012).
Положения, выносимые на защиту.
1. В условиях применения экстенсивной агротехники изменения во времени зональных типов почв лесостепи характеризуются противоположной направленностью. Генеральные тренды трансформации автоморфных пахотных серых лесных почв - гумусонакопление, рост гумусированной толщи, повышение гуматности органического вещества, окарбоначивание и оструктуривание, ослабление признаков текстурной дифференциации. Плодородие данных почв с возрастом земледельческого освоения возрастает. Генеральные тренды изменения автоморфных пахотных черноземов имеют деградационную направленность: уменьшается мощность гуму-сированной толщи, происходит убыль содержания и запасов гумуса. Плодородие данных почв с возрастом земледельческого освоения снижается.
2. Агрогенная трансформация зональных почв лесостепи имеет стадиальный ха
рактер. На первой стадии (100 лет распашки) происходят более интенсивные изменения
почвенных показателей, а на второй стадии (100-220(240) лет распашки) большинство
изменений прослеживается на уровне тенденций. Стадиальность изменений почвенных
свойств характеризуется тремя вариантами: 1) затухающим замедляющимся, 2) зату
хающим стабилизационным, 3) варьирующим разнонаправленным.
3. Экосистемы искусственных полезащитных лесонасаждений, возникших на
месте пашен в лугово-степных ландшафтах лесостепи, являются аккумуляторами
гумуса почв под лесонасаждениями. Деградационный тренд изменения гумусного
состояния лугово-степных черноземов в системе смен во времени угодий первой
стадии «целина-пашня» сменяется на проградационный тренд второй стадии «паш
ня-лесополоса». Агролесомелиоративные мероприятия в лесостепи приобретают до
полнительную важность с учетом повышения гумусированности почв под лесополо
сами – в первую очередь на территориях распространения лугово-степных чернозе
мов, которые в ряду зональных лесостепных почв наиболее подвержены агрогенной
деградации.
Научная новизна. Установлена комбинация процессов, протекающих в авто-морфных пахотных почвах лесостепи на юге Среднерусской возвышенности. Получены количественные и качественные характеристики темпов и направленности аг-рогенных изменений почв и почвенного покрова. Выполнены карты и картограммы, отражающие изменения староосвоенных почв в современный период, а также интегральный результат агрогенной трансформации почв за всю историю земледельческого освоения Белгородской области. Установлены черты сходства и отличия в характере агрогенной эволюции серых лесных почв и черноземов лесостепи.
Научное значение и применение результатов исследования. Исследование
особенностей агрогенной трансформации почв и почвенного покрова важно для раз
вития теории эволюции почв, совершенствования понятийно-терминологического
аппарата эволюционно-генетического почвоведения. Результаты диссертационного
исследования внедрены в систему почвенно-агрохимического мониторинга почв и
почвенного покрова Белгородской области, а также вошли в отчеты по различным
научным проектам, в которых автор принимал участие (грант Министерства образо
вания и науки РФ, проект № 2.1.1/9571; гранты РФФИ, проекты № 11-05-
92500-АФГИР-Э_а, № 12-05-97512-р_центр_а, № 13-05-41158 РГО_а; внутривузов-
ские гранты аспиранта в НИУ «БелГУ»).
Личный вклад автора. Автор принимал участие в полевых исследованиях почвенных агрохронорядов и в почвенно-агрохимическом мониторинге почв на территории Белгородской области. Автором выполнены описание и лабораторный анализ почв; проведен анализ литературных источников по теме исследования; подготовлен иллюстративный материал, включающий карты, картограммы и картосхемы; подготовлены и опубликованы статьи.
Апробация. Материалы проведенного исследования докладывались и обсуждались на Всероссийских и Международных конференциях: «Геоэкология и рациональное природопользование: от науки к практике» (Белгород, 2011), «Географические достижения: история, состояние, перспективы» (Харьков, 2011), «Влияние лесополос на свойств черноземов на территории Центральной лесостепи Восточной Европы» (г. Эймс, штат Айова, США, 2012), «Регион-2012: стратегия оптимального
развития» (Харьков, 2012), «Академическая наука - проблемы и достижения» (Москва, 2013), «Ломоносов – 2013» (Москва, 2013), «Современные тенденции в образовании и науке» (Тамбов, 2013).
Публикиции. По теме диссертационного исследования опубликовано 17 научных работ, включая 3 статьи из списка ВАК.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, приложений, списка литературы из 222 наименований, из них 32 на иностранных языках. Текст диссертации изложен на 180 страницах машинописного текста и содержит 37 таблиц, 55 рисунков, 5 приложений.
Благодарности. Считаю своим долгом выразить глубокую благодарность научному руководителю, доктору географических наук Чендеву Ю.Г. за оказанную всестороннюю помощь на всех этапах подготовки данной работы, а также директору ФГБУ «ЦАС «Белгородский», заслуженному деятелю науки РФ, доктору сельскохозяйственных наук, профессору Лукину С.В. за ряд ценных консультаций и предоставление данных по агрохимическому и почвенно-эрозионному обследованию почв Белгородской области.
Проявление агрогенеза в процессах и свойствах черноземных почв
В процессе экстенсивной распашки, вслед за изменением гидротермических условий серых лесных пахотных почв, в их профилях происходит трансформация гумусного состояния (содержания и запасов гумуса, его фракционно-группового состава, элементного состава гумусовых веществ). В частности, многочисленными исследованиями установлено, что длительное земледельческое использование серых лесных почв Среднерусской возвышенности усиливает минерализацию органического вещества в пахотном горизонте (Адерихин, 1964; Афанасьева, 1964; Андроников, 1965; Ахтырцев, Щетинина, 1969; Ахтырцев, 1977; Панников, 1977; Макунина, 1990; Тейт, 1991; Муха, 2004, Сорокин, 2006; Полякова, 2007; Вереме-енко, Фурманец, 2014).
Б.П. Ахтырцевым и В.Д. Соловиченко (1984 а, б) на основе материалов двух туров крупномасштабного почвенного картирования в периоды 1950-1965 гг. и 1970-1980 гг. было изучено изменение запасов гумуса в серых лесных почвах Белгородской области. Как показали исследования, в темно-серых лесных почвах Белгородской области за 20 лет распашки содержание гумуса в пахотном слое (0-25 см) достоверно снизилось на 0,9% (с 4,6% до 3,7%), а его запасы - на 24,75 т/га (Ахтырцев, Соловиченко, 1984 а). По данным работ (Панникова 1977; Ахтыр-цев,1979) содержание гумуса в серых лесных почвах за весь период сельскохозяйственного использования уменьшилось в пахотном горизонте до 3-5% абсолютного содержания органического вещества против 5-7% в естественных почвах. Потери гумуса (дегумификация) для суглинистых серых лесных почв лесостепи Центральной России в среднем составляют 10-20%, но могут достигать 45% от исходных запасов (Ахтырцев, 1979).
По наблюдению ряда авторов потери гумуса происходят не только в верхних, но и в более глубоких горизонтах серых лесных почв (Рубилин, Долотов, 1967; Антропогенная..., 1989; Чендев и др., 1998, 1999). Наибольшие потери гумуса отмечается на начальных этапах распашки почв за счет перемешивания верхних аккумулятивных горизонтов, биоминерализации органического вещества вследствие улучшения аэрации пахотных почв, уменьшения поступления органических остатков, активизации деятельности почвенных микроорганизмов, при 17 пашки нижележащих (оподзоленных) горизонтов, обедненных органическим веществом, а также за счет выноса обогащенных гумусом коллоидных частиц с поверхности почвы, даже если эрозионные процессы внешне проявляются слабо (Сорокина, 2006; Полякова, 2007).
Согласно другим авторам, наряду с заметным уменьшением содержания гумуса в пахотном горизонте серых лесных почв, наблюдается его увеличение в средней части профиля (Сингаевский, Иванов, 1982; Ахтырцев, Ефанова, 1988; Шугалей, 1991; Чендев, 1997 а, 2008). Имеются данные, подтверждающие увеличение гумусированности даже верхних горизонтов серых лесных почв при вовлечении их в распашку. Об этом, в частности, свидетельствуют исследования, проведенные И.Ю. Савиным и Ю.Г. Чендевым (1994). Анализируя картографический материал разных сроков составления и данные дистанционного зондирования, указанные авторы установили связь тона изображения пахотных темно-серых лесных почв с давностью их распашки – выявлена тенденция более темного тона поверхности и, следовательно, большей гумусированности почв, ранее вовлеченных в распашку. В работе Ю.Г. Чендева (1997) отмечается, что в процессе распашки в первые 80-130 лет происходит уменьшение содержания и запасов гумуса в метровом слое темно-серых лесных почв, а в процессе дальнейшей распашки (200 лет) содержание и запасы гумуса возрастают до уровня, превышающего показатели целинных аналогов. Данное явление автор не связывает с уровнем агротехники, так как почвы считаются экстенсивно осваиваемыми (годовые дозы внесения навоза не превышали 6 т/га) (Чендев, 1997 а). В более поздней работе коллектив авторов (Чендев и др., 2011) на основании радиоуглеродных исследований объясняет улучшение гумусного состояния пахотных серых лесостепных почв омолаживанием гумуса за счет интенсивной гумификации органических остатков в пахотную стадию развития данных почв. Как отмечает Ю.Г. Чендев (2008), об увеличении гумусированности пахотных горизонтов автоморфных серых лесостепных почв свидетельствую также результаты повторных исследований на ре-перных участках В.В. Докучаева – согласно сведениям из работы (Муха, Сулима, 2005). Существует также мнение, согласно которому содержание гумуса в темно-серой лесной почве, длительное время используемой в сельскохозяйственном производстве без удобрений, не изменяется даже при высоком насыщении севооборотов пропашными культурами (Лукьянчикова, 1980).
Земледельческое освоение серых лесных почв приводит к изменению группового и фракционного состава гумуса. Многочисленные экспериментальные данные направлены на исследование трансформации фракционно-группового состава гумуса пахотных серых лесостепных почв под действием различных систем удобрений – органических, минеральных, органо-минеральных (Полякова, 1986; Шевцова и др., 1989; Багаутдинов, 1993; Донских и др., 1997; Плодородие…, 1998; Русанов, 1998; Масютенко, 2003; Азаров, 2004; Надежкин, Жеряков, 2005; Соловиченко, 2005; Мерзлая и др., 2007; Ушаков, 2007; Соловиченко и др., 2012). Согласно результатам, полученным авторами вышеуказанных работ, изменение состава гумуса пахотных почв сводится к следующему: 1) под влиянием органической системы удобрений растет содержание водорастворимого гумуса, а под влиянием минеральной системы удобрений – лабильных гумусовых кислот; 2) органические вещества вносимых удобрений стабилизируют содержание гумуса и улучшают его фракционный состав; одни минеральные удобрения (без органических) ухудшают состав гумуса (снижается содержание гуматов кальция и возрастает количество «свободных» и «агрессивных» фульвокислот, вызывают рост подвижности гумуса, повышают растворимость гумусовых веществ); 3) под действием органических удобрений (навоза) возрастает защита гумусовых веществ кальцием; органо-минеральные системы улучшают состав гумуса; внесение органических удобрений в зависимости от дозы могут приводить как к расширению отношения Сгк : Сфк, так и к его сужению.
Структурно-агрегатный состав почв изученных агрохронорядов
В ходе проводимого исследования по изучению агрогенной трансформации зональных почв Центральной лесостепи применялся комплекс различных методов. Главными из них были: обзор и анализ научной литературы (научно-поисковый метод), историко-картографический, полевой, методы почвенных аг-рохронорядов, метод лабораторного анализа почв, сравнительно-географический, методы математико-статистической обработки данных, ГИС-анализ.
Научно-поисковый метод заключался в ознакомлении с различными представлениями и взглядами об агрогенной трансформации свойств и процессов лесостепных почв. Историко-картографический метод выступал в качестве важной источнико-вой базой для выбора ключевых участков исследования, а также для установления возраста распашки зональных почв Белгородской области. Для этого использовались разновременные крупномасштабные картографические материалы и, в первую очередь, планы периодов Генерального (конец XVIII века) и Специального (середина XIX века) межеваний Российской империи. Выбор ключевых участков исследования проводился под руководством Ю.Г. Чендева. Подробное описание историко-картографического метода, который был использован для идентификации ключевых участков, содержится в работе (Чендев, 2008).
Полевое исследование почв на выбранных ключевых участках подразумевало следующие виды работ: закладка глубоких парных почвенных разрезов; описание строения почвенных профилей (метод генетического анализа почвенного профиля); зарисовки передних стенок почвенных разрезов; формирование репрезентативных статистических выборок морфометрических параметров почв, дальнейший анализ которых позволяет определить достоверность отличий по мощностям и глубинам залегания почвенных признаков между сравниваемыми почвами агрохроноряда; определение плотности почвы с помощью стальных колец; отбор почвенных образцов на лабораторные анализы. Работа проводилась в весенне-летний период 2010-2013 гг. Почвенные образцы для анализа отбирались в пределах 2-х метрового профиля через 10 см. Каждая проба представляла собой смешанный образец двух парных разрезов. Для ключевых участков «Стрелецкая Степь», «Ямская Степь», «Каменная Степь» смешанный образец на пахотном угодье был получен при объединении почвенных проб из разрезов, заложенных по обе стороны от соответствующих лесополос. Описание почвенных профилей проводилось в соответствии с традиционной в российском почвоведении методикой описания почвенных профилей (Классификация..., 1977).
Сравнительно-географический метод заключался в сравнительном анализе свойств фоновых и пахотных почв, а также пахотных почв разного возраста распашки и выявлении закономерностей их агротехногенной трансформации Метод почвенных агрохронорядов являлся одним из главных и был основан на сравнительном анализе строения и свойств почвенных профилей на фоновых угодьях с естественной растительностью (0-момент агротехногенного почвообразования) и на пашнях, возникших в разное время (рис. 2.5). Для лесных почв фоновая почва изучалась под коренным лесным массивом, для черноземных почв фоном являлось целинное угодье.
Вдоль трех равноудаленных друг от друга (на расстояние 5 м) линий профилирования с шагом отбора в 4–5 м осуществляли точечное опробование наибо 47 лее гумусированного слоя 0–30 см почв (в каждой точке – в трехкратной повтор-ности с последующим усреднением проб) так, чтобы общее количество точек на одной линии профиля было равным 14, из которых 6 – под лесонасаждением и по 4 – на смежных с двух сторон лесонасаждения пахотных угодьях. В каждой точке с помощью стальных колец известного объема в трехкратной повторности отбиралась проба, и для смешанного образца затем определялась плотность (объемная масса), а также содержание органического углерода почв. Послойные запасы органического углерода почв рассчитывались, исходя из известных значений плотности почв и содержания в них органического углерода. Разрезы закладывали в центральных частях лесополос и на полях с двух сторон лесополос – на краях зон почвенного опробования, максимально удаленных от края лесополос. В разрезах изучались морфометрические признаки почвенных профилей, а также осуществлялся отбор проб через 10 см в верхнем метровом слое. Подобную методику почвенного опробования используют при изучении почв агролесомелиоративных ландшафтов на территории США (Soil properties..., 2012).
Методы лабораторного анализа почв включали определение гранулометрического состава почвы по Качинскому (в модификации С.И. Долгова и А.И. Лич-мановой), структурно-агрегатного состава почвы по И. И. Саввинову, общего гумуса по Тюрину и группового состава гумуса по Кононовой-Бельчиковой, карбонатов ацидиметрическим методом, объемной массы с помощью стальных колец. Лабораторный анализ исследованных почв проводился по стандартным методикам (Практикум…, 1980; Практикум по…, 2002;). Коэффициент текстурной дифференциации серых лесных почв изученных агрохронорядов был вычислен по запасам ила в элювиальном и иллювиальном слоях. Запасы ила рассчитывались на основании плотности слоя и содержания в нем илистых частиц. Статистическая обработка результатов исследования проводилась с помощью общепринятых методов математической статистики (Доспехов, 1985; Дмитриев, 1995).
Изменение гранулометрического состава почв агрохронорядов
Изменение содержания физической глины с глубиной в серой лесной почве под лесом на всех ключевых участках носит элювиально-иллювиальный характер распределения. На пахотных участках 100-летнего возраста отмечается увеличение физической глины в верхней части (0-30 см, 0-40 см и 0-50 см) метрового профиля, а на участке «Поляна» во всем слое 0-100 см. В подпахотной толще характерно образование максимумов, которые, вероятно, являются зонами иллюви-ирования физической глины в результате агротурбаций. На старопахотных угодьях (150-220 лет) прослеживается тенденция смещения зон иллювиирования в бо 73 лее глубокие слои метрового профиля изучаемых почв. Характер профильного распределения физической глины на пахотных угодьях (молодых и старых) изменяется и становится более контрастным – с ярче выраженными зонами элювииро-вания - иллювиирования.
При влиянии распашки на содержание и профильное распределение в слое 0-100 см ила можно выделить те же тенденции, которые характерны и для выше изученной фракции физической глины: в верхней части профиля (в пахотном слое в том числе) увеличивается содержание ила, характер профильного распределения в пахотных почвах становится более элювиально-иллювиальным, зоны аккумуляции ила на старопахотных угодьях смещаются в нижележащие слои.
В слоях 0-30 см и 0-100 см изменение физической глины и илистых частиц прослеживается на уровне тенденций (табл. 3.6).
Проведенные исследования лесных почв северной лесостепи (Караваева, Жариков, 1998) также свидетельствует об усилении иллювиирования в подпахотную толщу тонкодисперсных частиц. Однако в данных географических условиях следствием пахоты также является обеднение илистой фракцией пахотного слоя на всю глубину по сравнению с естественной почвой.
В нашем исследовании в пахотных горизонтах изученных серых лесных почв южной части лесостепной зоны происходит увеличение содержания ила. Возможно, это связано с различными гидрологическими режимами почв в северной и южной частях лесостепи. Дробление агрегатов сельскохозяйственной техникой также может приводить к возрастанию доли микроагрегатов в пахотных почвенных горизонтах, которые способствуют утяжелению верхней части почвенных профилей.
На основании определения запасов ила в иллювиальной и элювиальной толщах исследованных почв были рассчитаны коэффициенты текстурной дифференциации Кд (табл. 3.7).
Почвы под лесом имеют величину Кд профиля по илу более 1,4. По субстантивно-генетической классификации (Классификация..., 2004) естественные почвы по этому показателю относятся к отделу текстурно-дифференцированных почв, пахотные почвы – к отделу аккумулятивно-гумусовых почв (кроме агропочв участка «Самарино») (см. прил. 2, табл. 2.1). При увеличении длительности распашки прослеживается ослабления дифференциации профиля по запасам ила.
Таким образом, агрогенное изменение микроагрегатного состава исследованных почв затрагивает как пахотный слой, так и подпахотную толщу. В процессе распашки происходит увеличение содержание физической глины и ила в па 75 хотном горизонте. Распределения частиц 0,01 мм и 0,001 мм в пахотных почвах носит элювиально-иллювиальных характер.
Профильное распределение содержания гумуса в метровом слое и послойное его содержание в почве представлено на рис. 3.10 и табл. 3.8. Из табл. 3.8 видно, что изменение содержания гумуса в слоях прослеживается на уровне тенденций.
На почве под лесом профильное распределение гумуса носит регрессивно-аккумулятивный характер, т.е. в естественных серых лесных почвах происходит резкое снижение содержания гумуса с глубиной. В пахотных почвах распределение гумуса с глубиной меняется на прогрессивно-аккумулятивный, что связано с формированием культурного пахотного слоя. В отличие от естественных серых лесных почв в пахотных аналогах наблюдается более плавное снижение содержания гумуса с глубиной, что приближает их к черноземам. Прослеживается тенденция улучшения гумусного состояния в подпахотной толще, что связано с образованием зон аккумуляции гумуса (до глубины 40 см). Аналогичные результаты были получены Н.А. Караваевой и С.Н. Жариковой (1998) для пахотных лесных почв северной лесостепи. Авторы объясняют улучшение гумусного состояния подпахотной части профиля (до глубины 40-50 см) нисходящей миграцией второй фракции гуминвой кислоты (ГК-2) и роющей деятельностью мезофауны. Б.П Ах-тырцев и Е.В. Ефанова (1988) полагают, что накопление гумуса в подпахотных слоях серых лесных почв 70-летнего освоения в значительной степени обусловлено большей биомассой корней травянистых сельскохозяйственных культур по сравнению с биомассой корней трав в лесных сообществах.
Анализ послойного содержания гумуса (см. табл. 3.8) в почвах ключевых участков исследования свидетельствует о том, что на 100-летней пашне прослеживается тенденция снижения содержания гумуса в исследованных слоях. На старопахотных угодьях (150-220 лет) содержание гумуса возрастает по сравнению с молодой пашней. Таким образом, через 100 лет интенсивной распашки без систематического внесения оптимальных доз органических удобрений деградационный тренд содержания гумуса сменяется на проградационный. Близкие результаты были получены при изучении агрогенной трансформации серых лесных почв Центральной лесостепи другими авторами (Савин, Чендев, 1994; Чендев, 1997, 2008). Повторные исследования на реперных участках В.В. Докучаева свидетельствуют о возрастании содержания гумуса в пахотном слое серой лесной почвы через 100 лет их повторного наблюдения (Муха, Сулима, 2005). Ю.Г. Чендев и др. (2011) на основании изучения радиоуглеродного возраста фоновых и интенсивно осваиваемых серых лесных почв пришли к выводу, что гумус пахотных горизонтов интенсивно осваиваемых серых лесных почв омолаживается за чет поступления свежих порций органического вещества.
В результате интенсивной распашки серых лесных почв Центральной лесостепи без систематического внесения органических удобрений можно выделить два этапа в изменении содержания органического вещества. На первом этапе (100 лет распашки) происходит замедление биогенно-аккумулятивного элементарного почвенного процесса - гумусонакопления, Это связано с резкой сменой режима землепользования, что приводит к изменению факторов почвообразования, приводящего к деградации гумусного состояния. На втором этапе (следующие 100 лет распашки) на старопахотных участках происходит активизация внутренних резервов почвы, усиливается зоогенная переработка почвенной массы, перестройка всех профилеобразующих процессов. Почва входит в квазиравновесное состояние с новыми условиями почвообразования, которые протекают уже не по лесному типу, а по черноземному. Это приводит к улучшению гумусного состояния почв на старопахотных угодьях.
Сравнительный анализ агрогенной трансформации серых лесных почв и черноземов лесостепи Среднерусской возвышенности
На ключевых участках «Каменная степь», «Ямская степь» и «Стрелецкая степь» нами было изучено гумусовое состояние автоморфных лугово-степных черноземов в целинных экосистемах, на пашнях и под полезащитными лесополосами, возникшими на месте пахотных угодий. На момент создания лесополос возраст распашки черноземов в местах закладки лесополос составлял 95 лет, а средний возраст лесополос считался равным 55 лет.
По результатам замеров морфометрических признаков почв, изученных на трех ключевых участках, мы провели статистическую обработку значений мощности гумусированной толщи (А1+А1В) в черноземах целинных угодий, на пашнях и под лесополосами (табл. 4.11).
При вовлечении целинных черноземов в распашку произошло достоверное снижение мощности гумусированной толщи. В среднем по участкам (n=3) уменьшение за 150 лет освоения составило 10,2 см (0,7 см в 10 лет), или 13,8% от целинного показателя. Наибольшее снижение гумусового профиля отмечено на юге лесостепной зоны («Каменная степь»). При замещении пашен лесополосами произошел достоверный рост мощности гумусированной толщи в среднем (n=3) на 11,6 см (0,8 см в 10 лет). Таким образом, за 55 лет произрастания лесополос гумусовый профиль полностью восстановился до целинного значения и даже превысил его.
Результаты замеров морфометрических признаков почв, характеризующих глубину залегания линии вскипания) представлены в табл. 4.12.
На пашнях всех ключевых участков линия вскипания достоверно повысилась в среднем (n=3) на 25,8 см, или на 29,3% от целины. При создании лесополос 118 на участках «Каменная степь» и «Ямская степь» глубина залегания карбонатов достоверно понизилась, а на участке Стрелецкая степь» достоверно поднялась на 8,9 см.
Таким образом, в результате смены целины пашней и последующим замещением пашни лесополосой мы установили следующее: 1) пахотные черноземы отличаются от целинных меньшей мощностью гумусированной толщи, а также более высокой линией вскипания; 2) черноземы же под лесополосами отличаются от пахотных большей мощностью гумусированной толщи, а также более глубоким залеганием карбонатов. Стоит заметить, что первая закономерность была выявлена и в агрохронорядях почв ключевых участков исследования агрогенной трансформации черноземов («Юрьевка», «Жимолостное», «Сафоновка», «Верхо-пенье»). Главным механизмом указанных изменений, на наш взгляд, является эволюционная смена климатических режимов почв. На пашне по сравнению с целиной почвенный климат становится более «теплым» и «сухим», обусловливающим подтяжку почвенных карбонатов к поверхности, растрескивание почв и засыпку в трещины материала гумусовых горизонтов, что способствует снижению мощности гумусового горизонта и в целом – гумусового профиля черноземов. После замещения пашни лесным насаждением почвенный климат становится более «прохладным и влажным», стимулирующим выщелачивание, опускание линии вскипания, нисходящую миграцию гумуса и рост мощности гумусовых горизонтов и профилей. Дополнительной причиной увеличения мощности гумусо-аккумулятивной части профиля черноземов под искусственными лесопосадками выступает улучшение структурного состояния их верхней части в результате разрыхления почвы корнями деревьев и кустарников, дождевыми червями и насекомыми.
Данные о содержании и распределении гумуса в исследованных черноземах системы «целина-пашня-лесополоса» приведены на рис. 4.17. Приводимые на рис. 4.17 результаты отражают характеристики единичных почвенных разрезов, кото 119 рые изучались на лугово-степной целине и под лесополосами, а также усредненные характеристики парных почвенных профилей пахотных черноземов, которые исследовались на полях по обе стороны от лесополос.
Распределение содержания гумуса в профилях изученных почв ключевых участков: А - «Каменная Степь», Б - «Ямская Степь», В - «Стрелецкая Степь». Пунктирная линия – распределение показателя на целине (данные автора) Для всех угодий ключевых участков характерен аккумулятивный тип гуму сового профиля, характеризующийся максимальным накоплением гумуса в верх нем горизонте. По характеру убывания гумуса на графиках можно выделить сле дующие подтипы. Для целинных участков характерен равномерно аккумулятивный подтип. Это связано с глубоко проникающей корневой системой лугово-степной растительности, приводящей к формированию мощного гумусо вого профиля. Для пашен отмечается прогрессивно-аккумулятивный подтип. Его развитие связано с появлением гомогенного пахотного слоя. В лесополосах, воз никших на месте пашен, также как и на целине прослеживается равномерно 120 аккумулятивный тип гумуса, но с более плавным убывание показателя с глубиной. Это объясняется мощным действием корневой системы древесной растительности.
На основании данных рис. 4.17 и табл. 4.13 можно сделать вывод, согласно которому на пашнях 150-летнего возраста всех изученных нами участков обнаружена тенденция снижения содержания гумуса в метровом профиле по сравнению с идентичным слоем фоновых (целинных) черноземов. В среднем по всем участкам уменьшение составило в слое 0-100 см 0,80% абсолютного содержания гумуса (17,1% от целины).