Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Основные аспекты трансформации черноземов при различной антропогенной нагрузке 8
Глава 2. Объекты и методы исследований .25
2.1. Объекты исследований 25
2.2. Методы исследований .33
Глава 3. Характеристика факторов почвообразования
3.1. Климатические условия .35
3.2. Геоморфология 38
3.3. Растительность .38
3.4. Почвообразующие породы 40
Глава 4. Изменение морфологических свойств чернозема выщелоченного 43
Глава 5. Сравнительная агроэкологическая оценка трансформации чернозема выщелоченного .51
5.1. Гранулометрический состав 51
5.2.Трансформация гумусового состояния 56
5.3. Изменение физико-химических свойств .66
5.4. Структурное состояние и водопрочность агрегатов .73
5.4. Общие физические свойства (плотность твердой фазы, плотность, пористость) .81
Выводы .86
Библиографический список
Методы исследований
При длительном сельскохозяйственном использовании черноземов с интенсивной распашкой и насыщении севооборотов пропашными и зерновыми культурами, по данным П.Г. Адерихина [1964], отмечаются существенные потери гумуса, особенно в пахотном слое почвы, что подтверждают и другие исследователи [Тюрин И.В., 1965; Афанасьева Е.А., 1966; Wehrmann, 1967; Ковда В.А.,1980; Volker, 1980; Rueter, 1981; Когут Б.М., 1996, Орлов Д.С., 1996, Кленов Б.М., 2000, Сиухина М.С. и др., 2013].
Изучение потенциальных возможностей черноземных почв Западной Сибири издавна привлекало исследователей-естествоиспытателей.
Наиболее достоверные сведения о географии и основных агропроизводственных свойствах западносибирских черноземов появились лишь во второй половине 19 века. Понимание чернозема как конкретной почвы для условий Сибири было особенно важным познавательным моментом. Дело в том, что к черноземам, выделяемым в то время по темной окраске верхнего (часто пахотного) слоя, в разных районах Сибири относились совершенно различные почвенные образования - от действительно черноземов до луговых солончаков и даже лугово - болотных почв.
На это обстоятельство обращал особое внимание В.В. Докучаев: «… под черноземами Сибири нередко разумеют почвы, ничего общего не имеющие с настоящими черноземами» [Докучаев В.В., 1952]. Оценивая свойства сибирских черноземов, Докучаев подчеркивал, что участки настоящего чернозема в Сибири (особенно в Западной Сибири) беспрестанно перемежаются с бесплодными песками, солонцами, болотными и озерными отложениями, представляя между собой бесконечные переходы. Тем самым «…сибирский чернозем далеко не представляет сплошных площадей, как чернозем европейский…» [Докучаев В.В., 1952]. В агрохозяйственном отношении сибирские черноземы, вследствие небольшой их мощности, принадлежат, по мнению В.В. Докучаева, к типу почв малосильных, скоро выпахивающихся. Таким образом, исследователь, основываясь на четких генетических представлениях о черноземе и путем синтеза тогда еще весьма отрывочных научных данных, подметил своеобразие пространственных взаимосвязей черноземов Сибири с другими генетически подчиненными им почвами и впервые оценил особенности агрономических свойств сибирских черноземов.
Несмотря на маломощность западносибирских черноземов, полученные химико - аналитические данные свидетельствовали о высоком исходном плодородии этих почв. Учитывая это, К. Д. Глинка [1914] высказывал сомнение по поводу утверждения о быстрой выпахиваемости черноземов Западной Сибири. По его мнению, такое утверждение могло возникнуть из оценки малоплодородных карбонатных солончаков, часто относимых к черноземам [Ковда В.А., 1983].
В конце 20-х - начале 30-х годов XX века новая аграрная политика выдвинула необходимость всестороннего изучения земельных ресурсов Западной Сибири. Исследования сибирских почв значительно расширились благодаря созданию в крупных городах Сибири почвенных научно-производственных и учебных заведений. Начиная с 1929 года, резко возрастает в Сибири сеть опытных станций, опытных полей и опорных пунктов, которые внедряют научные разработки в практику сельскохозяйственного производства. На основе составленных почвенных карт впервые, как отмечали Р.В. Ковалев и В.М. Курачев [1974], разрабатываются и внедряются севообороты.
Впервые принципиальная оценка особенностей свойств, присущих лёссовым черноземам, была дана лишь в конце 50-х – середине 60-х годов в связи с широким освоением целинных и залежных земель [Горшенин К.П., 1955; Ковалев Р.В., 1966]. Позднее лёссовые черноземы изучались Л. Н. Мищенко [1970, 1987], Н.И. Чащиной [1976], Л.М. Бурлаковой [1975, 1984], А.П. Аникиной [1988]. В эти годы многолетние исследования черноземов осуществлялись в соответствии с их сельскохозяйственным использованием. При этом маршрутно-полевое исследование черноземов проводились на основе сопряженного применения профильно-генетического и сравнительно- географического методов. Полученные материалы позволили установить главные морфологические признаки, выяснить пространственные закономерности в размещении черноземов и проследить их функциональную соподчиненность с другими почвами [Горшенин К.П., 1955].
В научных работа [Богданов Н.И., 1977; Волков И.П., 1969 и др.] рассматриваются особенности генезиса, вопросы классификации и географии, качественного состояния и дальнейшего использования черноземов Западной Сибири, формирующихся на более или менее мощной толще лёссовых отложений. Именно черноземы на лёссовых отложениях, образующие в Западной Сибири самый крупный почвенный ареал, наиболее полно отвечают докучаевскому определению «настоящего чернозема». Эти черноземы, называемые «лёссовыми черноземами», обладают в целом самым высоким природным плодородием в сравнении с другими автоморфными почвами западно-сибирского региона [Хмелев В.А, 1982]. Важно и то обстоятельство, что большая часть территории лёссовых черноземов характеризуется в Западной Сибири как лучшая зона для земледелия.
Таким образом, черноземные почвы, широко и длительно используемые в составе пахотных угодий, ухудшаются, прежде всего, в результате процессов эрозии, выпахивания и остепнения [Лебедева И.И., 1983, 1985; Хмелев В.А., Курачев В.М., 1976; Танасиенко А.А., 2003]. Также нежелательные для землепользования процессы особенно усиливаются, как известно, в условиях монокультурного (экстенсивного) земледелия [Ковда В.А., 1983].
Геоморфология
В связи с этим ряд ученых [Сахончик В.П., 1968; Зайцева Т.Ф. , 1988; Сипко С.И., 1970; Кленов Б.М., 1976] проводили исследования региональных и провинциальных особенностей генетических и мелиоративных свойств сибирских черноземов и характера их изменения при орошении, на основе которых эти почвы дифференцированы как объект орошения, определены наиболее целесообразные районы и масштабы развития орошения, намечены пути рационального использования и охраны при орошении. Применительно к черноземам наиболее перспективных для орошения регионов (Северная Кулунда, Приобье) были исследованы закономерности нисходящего и восходящего передвижения почвенной влаги, ее доступность растениям в диапазоне естественного и дополнительного увлажнения путем орошения. С учетом этих данных была теоретически и экспериментально обоснована эффективная, наиболее рациональная мощность увлажняемого при орошении почвенного слоя, оптимальный диапазон его увлажнения и допустимый предполивной порог снижения влажности почвы.
Таким образом, для предупреждения негативных последствий воздействия ненормированного орошения на свойства, режимы и плодородие черноземов Сибири важно не только проектировать и строить оросительные системы, но не менее важно строжайшее выполнение на орошаемых массивах научно обоснованного поливного режима, который исключал бы непроизводительные потери поливной воды на обводнение толщи почвообразующих и подстилающих пород, подпитывание и подъем уровня грунтовых вод и др. При этом должны строго соблюдаться сроки и нормы поливов, степень почвенного увлажнения, устанавливаемые с учетом выявленных особенностей водных свойств почв, потребности возделываемой культуры [Сипко С.И.,1970; Зайцева Т.Ф., 1988].
Большое внимание уделялось изучению влияния различных способов орошения на окислительно-восстановительные процессы, содержание подвижного железа, нитратного и аммонийного азота. Установлено, что эти процессы тесно связаны со спецификой полива [Сиухина М.С., 1980; Сиухина М.С., Кауричев И.С.,1988].
Многочисленные исследования, связанные с проблемой орошения сибирских черноземов, свидетельствуют, что эти почвы являются сложным объектом для орошения. Возникающие в них процессы, их направленность и интенсивность нередко приводит к негативным изменениям почв. Следует отметить, что на черноземные почвы орошение влияет неблагоприятно в любом случае. При этом иногда отрицательные последствия орошения развиваются медленно, постепенно накапливаясь, и проявляются лишь через довольно длительный срок после начала орошения, в других случаях - очень быстро, буквально в первые годы [Панфилов В.П., 1988].
Стоит отметить, что эрозия является одним из разрушительных факторов почвенного покрова Новосибирского Приобья. Сложный рельеф, интенсивное снеготаяние, ливневый характер летних осадков лесостепных территорий, уничтожение естественной травянистой растительности способствуют развитию эрозионных процессов. Антропогенный же фактор смыва проявляется через чрезмерную распашку черноземных почв, в том числе склоновых ландшафтов, через несоблюдение противоэрозионных мероприятий, через ошибки в технологии использования земель сельскохозяйственного назначения.
Под влиянием смыва верхних горизонтов почв талыми и дождевами водами последовательно снижаются содержание и запасы гумуса, ухудшается его качественный состав [Орлов Д.С.,1983; Гришина Л.А.,1986; Танасиенко А.А., 2002]. Кроме того, трансформируются физические показатели черноземов. Уменьшается содержание глинистых и пылеватых фракций гранулометрического состава, возрастает глыбистость почвенной структуры, разрушаются зернистые и комковатые агрегаты, пополняя за счет своих фрагментов фракцию микроагрегатов. Снижается количество водопрочных агрегатов. Вместе с ухудшением структурного состояния почв закономерно и в соответствии со степенью развития эрозионных процессов возрастает плотность, уменьшается пористость агрегатов и межагрегатного пространства и, как следствие, снижается водопроницаемость, водоудерживающая способность черноземов [Саввинов Н.И., 1931; Сапожников П.М., 1992; Щербаков А.П., Васенев И.И., 1994; Хмелев В.А., Танасиенко А.А., 2009; Сиухина М.С., Быкова С.Л., 2010; Сиухина М.С., 2011].
На основании изложенного следует, что рациональное использование земельных ресурсов в настоящее время приобретает научно- производственную значимость, так как относится к одной из самых сложных и наиболее важных проблем природопользования [Акулов П.Т., 1999].
Вместе с тем в практике агрономии долгое время господствовало представление о том, что управление процессами почвенного плодородия доступно лишь путем регулирования одного какого-либо фактора урожайности (к примеру, пищевого режима). В настоящее время такой подход следует признать, по справедливому замечанию Б.Г. Розанова [1977], принципиально неверным, поскольку он не применим к очень сложным и динамичным природным системам, какими являются почвы.
В Сибири наиболее обстоятельно изучением трансформации элементов плодородия черноземов занимались многие исследователи [Винокуров М.А., 1927; Лазарев А.А., 1936; Горшенин К.П., 1955; Богданов., 1976; Н.Г.Рудой, 1962; Мищенко Л.Н. 1964; Чупрова В.В., 1970, 2001; Гантимуров И.И., 1970; Бурлакова Л.М., 1984; Хмелев В.А., 1989].
Почвообразующие породы
Для исследуемых черноземов характерно равномерное распределение каждой из фракций механических элементов по профилю, что свидетельствует об отсутствии процессов разрушения минеральной части почвы и перемещения продуктов распада по профилю.
На территории учебно-опытного хозяйства «Тулинское» преобладают черноземы среднесуглинистого гранулометрического состава, в которых количество физической глины в пахотных горизонтах составляет 45 % (приложение 2). При таком гранулометрическом составе в почве складываются оптимальные для растений свойства только при наличии зернистой и комковатой структуры.
По содержанию фракций механических элементов изучаемых черноземов было выявлено, что в большинстве случаев, согласно классификации Н.А. Качинского [1958], они являются суглинками средними иловато-крупнопылеватыми. Однородность гранулометрического состава черноземов по всему профилю соответствует однородности валового состава.
Несмотря на то, что гранулометрический состав представляет собой достаточно устойчивую систему, длительное сельскохозяйственное использование черноземов привело к некоторому перераспределению фракций по почвенному профилю (рис. 3, приложение 2).
В гранулометрическом составе фракций изучаемых черноземов, формирующихся на достаточно мощной толще лёссовидных суглинков, явно доминирует крупная пыль, или так называемая лёссовая фракция при полном отсутствии фракций крупного и среднего песка. Заметное влияние на однородность гранулометрического состава пахотного слоя оказывает перемешивание его при отвальной обработке. Суммарно на долю фракций крупной пыли приходится более 40 %. Гранулометрический состав чернозема выщелоченного. Неорошаемый: а - 1974 г., б - 2007 г.; Орошаемый: в - 1974 г.; г- 2007 г.; д - целина, 2007 г. Фракция крупной пыли (0,05-0,01 мм) плохо поддается оструктуриванию, так как по минералогическому составу приближается к песчаной, имеет невысокую поглотительную способность и влагоемкость, не пластична, слабо набухает, отличается низкой величиной удельной поверхности. В то же время фракция крупной пыли обладает рядом положительных свойств, а именно: слабой связностью, хорошей капиллярностью, водоподъемной способностью, умеренной водопроницаемостью. В ходе длительного агрогенного воздействия фракция крупной пыли не претерпела существенных изменений и составила в верхнем гумусовом горизонте неорошаемого чернозема 44%.
Фракция средней пыли (0,01-0,005 мм) характеризуется Н.А.Качинским как неблагоприятная в агрономическом смысле, так как обладает низкой удельной поверхностью 2-10 м3/г, не способна к коагуляции. Частицы средней пыли собственно не обладают положительными физическими свойствами песка и в то же время они являются «пассивной» частью при образовании почвенной структуры. Содержание этой фракции за длительный период сельскохозяйственного использования увеличилось на 2 % в верхних горизонтах (0-40 см) неорошаемых черноземов. В пашне это пополнение происходит за счет разрушения крупной пыли, так как фракция крупной пыли также незначительно уменьшилась. Фракция мелкой пыли (0,005-0,001 мм) состоит не только из первичных, но и вторичных минералов. В связи с этим данная фракция имеет свойства, не присущие более крупным фракциям. Она способна к коагуляции и структурообразованию, обладает поглотительной способностью, содержит гумусовые вещества в повышенных количествах. Однако высокое содержание мелкой пыли в почвах в свободном, не агрегированном состоянии придает им следующие неблагоприятные свойства: плотное сложение, плохую водопроницаемость, чрезмерное набухание и усадку, липкость, трещиноватость, а также избыточное количество влаги, недоступной для растений [Кауричев И.С, 1982]. Результаты гранулометрического анализа показали сокращение с 13,04 до 7,40 % в верхнем гумусовом горизонте неорошаемых черноземов фракции мелкой пыли, несколько увеличилось содержание данной фракции в нижележащем горизонте.
Особое внимание необходимо обратить на распределение илистой фракции, так как именно она легче всего подвергается разрушению. Илистая фракция (меньше 0,001мм) состоит преимущественно из высокодисперсных вторичных минералов и имеет большое значение в создании почвенного плодородия. Ей принадлежит главная роль в физико-химических процессах, протекающих в почве. Она обладает высокой поглотительной способностью, содержит довольно много гумуса, элементов зольного и азотного питания растений. Особо важная роль в структурообразовании и формировании почвенного поглощающего комплекса (ППК) принадлежит коллоидной части этой фракции. Содержание фракции ила (до 30%) сглаживает отрицательные свойства пылеватой фракции данной почвы. Благоприятные физико-механические свойства черноземов, обогащенных илистой фракцией, в значительной мере определяются ее способностью к коагуляции и склеиванию механических элементов в агрегаты. Как известно, необратимая коагуляция илистой фракции способствует структурообразованию [Кауричев И.С, 1982].
В неорошаемом черноземе содержание фракции мелкой пыли и ила в верхнем слое уменьшилось на 3,7 %, а с глубиной произошло их некоторое увеличение. Отмечено незначительное увеличение ила в нижней части профиля, что связано с засыпанием тонких фракций по трещинами и перемещением их с талыми и дождевыми водами. В орошаемом черноземе в верхнем горизонте потери илистой фракции более существенны, составили 9 %. На наш взгляд, это связано с выносом более тонких частиц ирригационной эрозией, когда формируется незначительный сток и выносятся преимущественно мелкие частицы, тогда как в процессе более интенсивного смыва талыми и ливневыми водами сносится вся почвенная масса, а не только мелкозем [Танасиенко А.А, 2003; Сиухина М.С и др., 2011].
Изменение физико-химических свойств
Почва, как всякое природное тело, характеризуется физическими свойствами, которые наряду с физическими процессами, протекающими в ней, сильно влияют на почвообразование, плодородие почв, рост и развитие растений. Важнейшую роль в создании почвенного плодородия и условий для жизни живых организмов, населяющих почву, играет количественное соотношение абиотических фаз почвы.
Плотность является одним из важных физических показателей почв. На величину плотности влияют гранулометрический состав, содержание органического вещества, структурное состояние почвенной массы. Существенное влияние на плотность оказывает обработка почвы. Наиболее рыхлой почва бывает сразу после обработки (вспашки, культивации), а затем она постепенно начинает уплотняться [Воронин А.Д., 1986; Бондарев А.Г., 1994; Шеин Е.В., 2001]. Оптимальная плотность для средне- и тяжелосуглинистых по гранулометрическому составу почв находится в пределах 1, 1- 1,3 г/см3. С увеличением плотности почвы уменьшается подвижность воды и ослабевает воздухообмен.
Плотность твердой фазы почвы по сравнению с другими физическими показателями почв варьирует в довольно узких пределах и в незначительной степени изменяется во времени. Меньшая плотность твердой фазы 2,5- 2,6 г/см 3 характерна для верхних богатых гумусом горизонтов. Плотность твердой фазы исследуемых черноземов (2,5- 2,65 г/см3 в верхних гумусовых горизонтах), вниз по профилю наблюдается некоторое ее увеличение до 2,75 г/см3 в породе (табл.7). Плотность твердой фазы в пределах профиля исследуемой почвы постепенно увеличивается с глубиной параллельно уменьшению количества гумуса.
С деградацией структурного состояния почв при длительном сельскохозяйственном использовании в результате уменьшения содержания органического вещества и изменения его качества связано уплотнение почв. Данный процесс рассматривается как результат более тесного расположения почвенных агрегатов под воздействием различных факторов, как механических (прежде всего давление со стороны ходовых систем сельскохозяйственной техники), так и утратой пашней агрономически ценной структуры. Исследователями установлено, что переуплотнения почв сельскохозяйственной техникой является важнейшим фактором деградации физического состояния почвенного покрова, причем данное явление носит кумулятивный характер [Бондарев А.Г. с соавт., 1999]. Ухудшение физических и водно - физических свойств рассматриваются как показатель физической деградации почв [Снакин В.В. с соавт. 1992].
Анализ полученных данных показал (табл.7), что благодаря значительному содержанию гумуса и оструктуренности, плотность исследуемых черноземов в гумусовых горизонтах оптимальная для роста и развития сельскохозяйственных культур (1,14-1,25 г/см3), с глубиной постепенно увеличивается (табл. 7), но даже в материнской породе этот показатель не превышает 1, 35 г/см3.
Под воздействием систематических обработок почвы, произошли некоторые изменения в плотности различных слов. Плотность пахотного горизонта не постоянная и зависит от ряда причин: способа, глубины и периодичности обработки. Плотность сложения пахотного горизонта характеризуется только на данный момент, а плотность подпахотных горизонтов может рассказать о тенденциях, происходящих в почве. Наименьшей плотностью (1,12 - 1,14 г / см3) обладают пахотные горизонты изучаемых почв, вследствие их механической обработки, а также богатые гумусом хорошо оструктуренные горизонты целинной почвы (1,09 г/ см3), что согласно шкале экологической оценки плотности почв, считается оптимальной [Гарифуллин Ф.Ш., 1984]. В профиле хорошо оструктуренной целинной почвы с благоприятными общими физическими свойствами имеются предпосылки для одновременного наличия воды и воздуха достаточного для растений количестве. Плотность подпахотных горизонтов варьирует в пределах 1,12-1,24 г/см3, что свидетельствует об уплотненном состоянии почвы. С уровнем деградации структуры чернозема выщелоченного на пашне хорошо согласуется уплотнение почвы. Плотность гумусово - аккумулятивного горизонта старопахотного чернозема увеличивается на 0,1-0,2 г/см3, за счет применения тяжелой сельскохозяйственной техники. По данным В.И. Кирюшина [2010], при многократном ходовом воздействии техники идет «накопление» уплотнения как в пахотном, так и подпахотном слое.
