Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Проблема деградации черноземов и роль структуры почвы в формировании физических параметров плодородия и повышении противоэрозионной устойчивости почв (обзор литературы) 13
1.1. Эрозия как основной вид деградации черноземов Зауралья РБ 14
1.2. Оптимизации агрофизических параметров плодородия
1.2.1. Структура почвы и ее значение 21
1.2.2. Гранулометрический состав и его значение в структурообразовании 28
1.2.3. Роль гумусовых веществ в структурообразовании 34
1.2.4. Роль растений в структурообразовании 35
1.2.5. Роль корневых выделений и микроорганизмов в
оптимизации агрофизических свойств 42
1.2.6. Значение цианобактериально-водорослевых ценозов в
процессах почвообразования 51
1.5. Восстановление свойств почвы приемами фитомелиорации 58
ГЛАВА 2. Природные условия, объекты и методы исследования 63
2.1. Природные условия 63
2.2. Объекты и методы и исследования 72
Глава 3. Мелиоративная роль трав в оптимизации агрофизических свойств почв агроэкосистем 82
3.1. Биологическая продуктивность агроценозов Зауралья
3.2. Роль разных трав в улучшении структуры и агрофизических свойств черноземов 91
3.3. Количественно-качественный анализ структурного состояния почвы 101
3.3.1 Водопрочность почвенных агрегатов разных фракций 102
3.3.2. Гранулометрический состав агрегатов на примере чернозема обыкновенного 107
3.3.4.Химический состав агрегатов 110
3.3.5. Влагоемкость агрегатов 121
3.4.Влияние трав на общие физические свойства 124
ГЛАВА 4. Цианобактериально-водорослевые ценозы почв под травами и их фитомелиоративный эффект 132
4.1. Продуктивность и биоразнообразие ЦВЦ 133
4.2. Эколого-таксономический анализ ЦВЦ под фитомелиорантами ... 136
4.3. Цианобактерии и водоросли в агрегатах разных размеров 143
4.4. Таксономическая и экологическая характеристика ЦВЦ в ризосфере различных растений 146
ГЛАВА 5. Биологическая активность почв под фитомелиорантами 154
5.1.Таксономическое разнообразие микробных сообществ 154
5.2. Функциональное разнообразие микробных сообществ методом МСТ 158
5.3. Ферментативная активность под травами 164
ГЛАВА 6. Влияние агростепей на структуру и агрофизические свойства почв
6.1. Продуктивность агростепей 178
6.2. Влияние агростепи на свойства почв 182
ГЛАВА 7. Агрофизические свойства эродированного чернозема 201
7.1. Влияние эрозии на структурное состояние чернозема обыкновенного 202
7.2. Гранулометрический состав структурных агрегатов эродированной почвы 206
7.3. Влагоемкость эродиродированной почвы 210
ГЛАВА 8. Опыт по фитомелиорации засоленных почв 213
8.1. Лабораторные опыты по определению фитотоксичности засоленных почв 216
8.2. Полевой опыт по фитомелиорации засоленных почв 220
Выводы 233
Список литературы
- Гранулометрический состав и его значение в структурообразовании
- Количественно-качественный анализ структурного состояния почвы
- Эколого-таксономический анализ ЦВЦ под фитомелиорантами
- Функциональное разнообразие микробных сообществ методом МСТ
Введение к работе
Актуальность. Продуктивность и устойчивость функционирования наземных экосистем зависят от уровня плодородия почв, который в значительной степени определяется их агрофизическими свойствами [Вильямс В.Р., 1949; Качинский Н.А., 1963; Ковда В.А., 1973; Гарифуллин Ф.Ш., 1979; Карпачевский Л.О., 1999; Суюндуков Я.Т., 2001; Татаринцев В.Л. и др., 2003]. Длительное пахотное использование черноземных почв в Зауралье Республики Башкортостан (РБ) без должной степени заботы о воспроизводстве плодородия способствовало их деградации: потере гумуса, разрушению структуры, уплотнению и снижению фильтрационных свойств верхних слоев почвы, развитию процессов водной и ветровой эрозии [Бурангулова М.Н. и др., 1973; Хазиев Ф.Х. и др., 1995; Габбасова И.М., 2010]. На естественных пастбищах в результате высоких пастбищных нагрузок во второй половине прошлого века произошло ухудшение состояния травостоя, уничтожение дернины, что в итоге привело к снижению почвозащитных свойств растений и нарушению почвенного покрова земель [Лысак Л.В., 1970; Миркин Б.М., Наумова Л.Г., 1998, 2002]. Кроме того, малое количество осадков и частое повторение засух на территории Зауралья РБ способствуют развитию процессов засоления и увеличению площадей засоленных почв. В связи с этим степные экосистемы в настоящее время нуждаются в защите и реабилитации, при котором особенно важно восстановление естественной растительности и почвенного покрова [Лысак Л.В., 1981; Русанов А.М., 1993, 2015].
В улучшении агрофизических свойств почвы особая роль принадлежит структуре [Докучаев В.В., 1949; Костычев П.А., 1951; Вершинин П.В., 1958; Качинский Н.А., 1965; Бахтин П.У., 1971; Ревут И.Б., 1972; Розанов Б.Г., 1984], значение которой заключается в оптимизации сложения почвы, создании условий для жизнедеятельности почвенной биоты и корневой системы растений, в предотвращении развития эрозионных процессов.
Наряду с традиционными агрономическими методами воспроизводства
плодородия почв путем внесения минеральных и органических удобрений и
химических мелиорантов все актуальнее становится фитомелиоративный
подход, предусматривающий использование природного потенциала
растений, в особенности многолетних трав, принимающих активное участие в процессе почвообразования. Фитомелиорация - комплекс экологически направленных мероприятий по улучшению условий природной среды с помощью культивирования многолетних трав и поддержания естественных растительных сообществ. Растения являются одним из главных природных факторов почвообразования, поэтому фитомелиоративный подход позволяет с высокой эффективностью воспроизводить плодородие почв при минимальных затратах антропогенной энергии, снизить себестоимость продукции сельскохозяйственных культур в рамках адаптивно-ландшафтной системы земледелия. Имеется ряд работ, в которых показаны возможность повышения интенсивности круговорота веществ и восстановления нарушенных свойств
почв [Лепилин И.А., 1989; Стрельченко В.П. и др., 1989; Суюндуков Я.Т. и
др., 2007; 2008; Tisdall J.M., Oades J., 1982] в ходе восстановительных
сукцессий растительности под многолетними травами в результате
накопления ими большого количества фитомассы – источника формирования
гумуса, способствующего образованию структуры [Гедройц К.К., 1933;
Вершинин П.В., 1958; Ковда В.А., 1983; Лазарев А.П., Абрашин Ю.И., 2000;
Татаринцев В.Л., 2003]. В то же время недостаточно данных по комплексной
оценке эколого-фитомелиоративной эффективности разных видов
многолетних трав по их влиянию на условия структурообразования, которые
непосредственно отражаются на качественных характеристиках структурных
агрегатов и позволяют оптимизировать физические свойства почв. Важной
задачей является агроэкологическая характеристика почв
сельскохозяйственных угодий (агроэкосистем) степного Зауралья РБ на основе эколого-агрофизических и биологических показателей.
Цель и задачи исследований. Цель: агроэкологический анализ структурного состояния почв сельскохозяйственных угодий степного Зауралья РБ и оптимизация агрофизических свойств черноземов приемами фитомелиорации.
Для достижения цели были поставдены следующие задачи:
1. Выявление сравнительной фитомелиоративной эффективности
наиболее распространенных видов многолетних злаковых и бобовых трав в
условиях черноземов Зауралья;
2. Качественно-фракционный анализ структурно-агрегатного состава
чернозема обыкновенного под разными травами;
-
Изучение особенностей формирования и состава цианобактериально-водорослевых ценозов (ЦВЦ) почв под травами, их распределения в почвенных агрегатах и оценка роли фитомелиоративного эффекта;
-
Оценка влияния фитомелиорации на биологическую активность почв сельскохозяйственных угодий с использованием интегральных показателей;
5. Изучение особенностей восстановления свойств деградированных
почв пахотных и пастбищных угодий в условиях степного Зауралья под
влиянием «агростепей»;
-
Исследование влияния эрозии на основные агрофизические свойства чернозема обыкновенного;
-
Определение фитомелиоративной эффективности многолетних трав на засоленных почвах Зауралья РБ.
Научная новизна. Впервые в условиях степного Зауралья Республики
Башкортостан проведена комплексная агроэкологическая оценка
эффективности приемов фитомелиорации на основе изучения динамики агрофизических и биологических свойств почв на широтном градиенте север – юг от выщелоченных до обыкновенных и южных черноземов. Установлены количественные взаимосвязи между параметрами, формирующими структуру почвы и продуктивностью растений. Впервые проведено комплексное исследование физико-химического, агрохимического и гранулометрического
состава структурных агрегатов разных размеров для чернозема
обыкновенного.
Впервые проведен анализ таксономической и экологической структуры ЦВЦ под бобовыми и злаковыми фитомелиорантами, а также дана структурно-функциональная характеристика ЦВЦ в агрономически ценных почвенных агрегатах.
Получены новые фактические данные по динамике восстановления в агростепях свойств черноземов, деградированных при длительном пахотном и пастбищном использовании; по оценке фитотоксичности и динамике водно-физических свойств и биологической активности при фитомелиорации засоленных почв. Сформирована база данных по физико-химическому и гранулометрическому составу структурных агрегатов эродированных почв.
Дано обоснование целесообразности использования в специальных агрофизических исследованиях для оценки водопрочности агрегатов метода дифференцированного (фракционного) анализа по П.И.Андрианову.
Теоретическая и практическая значимость. Использование
многолетних трав в качестве фитомелиорантов способствует оптимизации
гумусного состояния, агрофизических свойств почвы, снижению уровня
развития эрозионных процессов. Полученные результаты могут быть
использованы при обосновании приемов фитомелиорации деградированных и
засоленных почв, для разработки системы рационального
природопользования в агроэкосистемах, а также охраны почв степной зоны. Залужение методом агростепей по Дзыбову является эффективным приемом ускоренной реабилитации деградированных почв.
Исследования проводились в рамках выполнения Госзаданий темы:
«Воспроизводство плодородия почв агроэкосистем Башкирского Зауралья
путем использования биологического потенциала растений и
микроорганизмов» (2010-2012); «Комплексная оценка экологического
состояния естественных и антропогенных экосистем Башкирского Зауралья,
разработка принципов и методов их сохранения и рационального
использования» (2013–2015); государственной научно-технической
программы Республики Башкортостан «Фитомелиоративные приемы
воспроизводства плодородия почв Зауралья» (госконтракт №2/2-Б от
01.02.2006г); «Фитомелиоративные приемы воспроизводства плодородия
пахотных почв Зауралья» (контракт №17/19-Б от 30.03.2007); «Оптимизация
функционирования биологических систем в Республике Башкортостан»
((гос)контракт №17/7-Б от 4.04.2008); «Оптимизация физических параметров
плодородия почв агроэкосистем степного Зауралья Башкортостана»
((гос)контракт 17/6-Б 20.02.2009г); «Фитомелиорация деградированных почв
сельскохозяйственных угодий Зауралья Республики Башкортостан» (договор
№ГПД 13/14 от 26.10.15), гранта РБ молодым ученым и молодежным
научным коллективам «Экологическая оценка засоленных почв
агроэкосистем Зауралья и приемы их фитомелиорации» (№29 от 05.02.2013г.).
Результаты исследований используются в учебном процессе при подготовке студентов по направлениям «Биология», «География» и «Экология и природопользование» в Сибайском институте (филиале) ФГБОУ ВО «Башкирский государственный университет».
Методология и методы исследований. Методология исследований
основана на информационном поиске источников отечественной и
зарубежной литературы, в том числе Интернет-ресурсов, обосновании
актуальности, формулировке научной гипотезы, определении цели и задач.
Программа исследований включала проведение маршрутно-полевых
экспедиционных исследований, закладку и проведение полевых и
лабораторных опытов, ведение наблюдений, учетов и анализов,
статистической обработке полученных данных, анализе и обобщении
результатов. Выполнение работы проводилось с использованием
общепринятых в почвоведении методик, ГОСТов и оценочных шкал.
Защищаемые положения.
1. Динамика биологической продуктивности и структура фитомассы,
профильное распределение корневых систем растений-мелиорантов в
градиенте север – юг в зональном ряду черноземов Зауралья РБ.
2. Улучшение гумусного и структурно-агрегатного состояния,
оптимизация плотности, пористости, фильтрационных свойств и
биологической активности почв под травами естественных степей и видами
сеяных многолетних трав, количественные взаимосвязи между
продуктивностью растений и параметрами, определяющими физический
статус почвы.
4. Качественный анализ фракций структуры гранулометрического
состава почв и состава цианобактериально-водорослевых ценозов в
зависимости от агрохимических и агрофизических свойств.
-
Состав, биоразнообразие и мелиоративная эффективность водорослей и цианопрокариот под многолетними растениями-мелиорантами.
-
Динамика биологической активности почв под фитомелиорантами и оценка устойчивости и биоразнообразия микробных сообществ по состоянию ферментативной активности и интегральным показателям биологического состояния почв.
7. Гранулометрический состав и оценка перераспределения его
элементов в эродированных почвах.
8. Оценка фитотоксичности засоленных почв и динамика их водно-
физических свойств и биологической активности при фитомелиорации.
Степень достоверности и апробация работы. Достоверность
полученных результатов подтверждается длительностью периода
исследований, проведению их по заранее запланированной программе, с соблюдением требований к закладке и проведению опытов и современных общепринятых в почвоведении методик, современных статистических методов обработки результатов с использованием комплекта компьютерных программ.
Результаты исследований были доложены на более чем 40 научных и научно-практических конференциях, в том числе на Международных (Пенза, 2005; Иркутск, 2006; Оренбург, 2006, 2015; Пущино, 2006; Уфа, 2008; Ставрополь, 2010; Воронеж, 2012; Барнаул, 2013; Ижевск, 2014; Курск, 2015; Москва, 2015а,б), Всероссийских (Уфа-Москва, 2005; Уфа, 2006а,б; Йошкар– Ола, 2006; Пенза, 2006; Сибай, 2010-2015; Ижевск, 2015), региональных (Уфа, 2006, 2008, 2009, 2010, 2011, 2012, 2013, 2014; Сибай, 2005-2016).
Личный вклад автора. Исследования проводились в период с 2004 по
2015 гг. лично автором или при непосредственном его участии, диссертация и
автореферат оформлялись по плану, согласованному с научным
консультантом лично автором; доля участия в оформлении публикаций соответствует числу соавторов.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 95 научных работ, в том числе 2 монографии и 21 статья в изданиях, рекомендованных ВАК.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 7 глав, выводов и рекомендаций. Работа изложена на 306 страницах компьютерного текста, содержит 37 таблиц, 44 рисунка. Список литературы включает 464 наименований, в том числе 60 на иностранных языках.
Благодарности Автор выражает глубокую благодарность научному консультанту д.б.н., профессору, чл.-корр. АН РБ Суюндукову Я.Т., д.б.н., профессору, чл.-корр. АН РБ Миркину Б.М., д.б.н., профессорам, Дубовик И.Е. Семеновой И.Н. и Суюндуковой М.Б. за консультации и оказанную практическую помощь в ходе выполнения и оформления работы.
Гранулометрический состав и его значение в структурообразовании
Под эрозией почв (от лат. Erosion) понимают разрушение, разъедание и размывание. Это взаимосвязанные процессы отрыва и переноса частиц почвы поверхностным стоком водных потоков или сдувание ветром. Эрозия является одной из главнейших мировых экологических проблем, непосредственно отражающихся на состоянии экосистем и на результатах сельскохозяйственного производства [Добровольский, 1993]. По данным Lai R. [1991], ежегодно общие мировые потери продуктивных земель от эрозионных процессов составляют около 6,7 млн. га, а потери плодородного слоя - 24 млн. т. Подсчеты показывают, что на земном шаре ежедневные потери в результате эрозионных процессов составляют свыше 3 млн. га, ежеминутно - 44 га земель, пригодных для использования в сельском хозяйстве. Это значит, что через 120-150 лет мы потеряем почвенный слой [Сордонова, 2004].
В настоящее время водная эрозия проявляется при сочетании природных факторов с антропогенными, что создает условия для развития ускоренной эрозии, при этом иррациональная хозяйственная деятельность является главной причиной ее формирования [Кирюшин, 1996; Булгаков и др., 2011].
Водная эрозия в России проявляется на 17,8% площадей сельскохозяйственных земель, из них 12,1% составляют пашни, ветровая эрозия на площадях 8,4% и 5,3% соответственно [Госдоклад, 2010].
По данным Н.А. Бирюкова [2004], водная эрозия проявляется в виде селевых потоков, плоскостной, овражной, бороздчатой или струйной эрозии, как следствие этого наблюдается размыв верхнего плодородного слоя почвы, формирование оврагов, заиливание пониженных участков земли мелкоземом, в результате котрых уменьшаются площади пахотопригодных земель, снижается плодородие почв и урожайность сельскохозяйственных культур. Ветровая эрозия (дефляция) характеризуется пыльными бурями и повседневной ветровой эрозией, последствиями которых являются унос плодородного слоя пыльными бурями, заносы дорог, запыление атмосферы, повреждение посевов.
Основной причиной снижения плодородия почв под влиянием эрозии является уменьшение содержания гумуса. Ежегодные потери гумуса в России составляют 81,4 млн. т, за последние 20 лет запасы его сократились на 25-30%. Почти 90% пахотных почв имеют низкое или среднее содержание гумуса [Охрана окружающей…, 1997]. При потере элементов питания и гумуса эрозия приводит к разрушению структуры почвы, что является проявлением ее физической деградации [Карманов, 1980]. Водопрочность структуры - главный фактор, определяющий эрозионную устойчивость почвы. Нарушение в почве баланса гуминовых соединений и некоторых катионов снижают процесс структурообразования водопрочных агрегатов. По данным Н.Н.Цыбулька и др. [2005] при пониженном (менее 2%) содержании органического вещества в почве образуются водопрочные агрегаты мелких размеров, а при более высоком – крупные агрегаты размером более 3 мм.
В разрушении почв доля водной эрозии составляет 56%, ветровой -28%, химической деградации – 12% и физической – 4% [Добровольский, 1997].
Интенсивность проявления эрозии в известной мере зависит от гидротермического режима холодного времени года, а также свойств подстилающих грунтов [Манишкин, 2004]. Г.Н. Лысак [1981] отмечал, что дефляция начинается при снижении влажности верхнего слоя почвы ниже 12%.
Основными факторами, влияющими на развитие эрозии и дефляции почв, являются рельеф территории, метеорологические условия, особенности почв и почвообразующих пород, растительность. Большое значение имеют также способы хозяйственного использования территории: состояние растительного покрова естественных кормовых угодий, структура посевов и севооборотов, их размещение по рельефу, системы удобрений, защиты растений и обработки почвы, способ организации территории агроландшафтов и соотношение угодий, система почвозащитных мероприятий.
Оценку почв по эродированности проводят по степени уменьшения содержания и запасов гумуса или потери гумусового горизонта. Потеря мощности верхнего слоя от 5 до 15-20 см пахотных почв соответствует категории «слабо эродированных», от 15-20 до 60 см – «средне эродированных», свыше 50-60 см – «сильно эродированных» почв [Литвин, 2002]. Территории с различным сочетанием природных факторов значительно различаются по соотношению (преобладанию) видов эрозии. В районах с продолжительным безморозным периодом, неустойчивым снежным покровом, мягкой зимой и незначительным промерзанием почв происходит сильное иссушение верхних горизонтов почв, ускоренное разложение органического вещества, обесструктуривание и распыление почвы, что в итоге способствует снижению ее противоэрозионной устойчивости и интенсивному смыву при ливневых дождях [Ванин и др., 1980].
В лесной и лесостепной зонах в наибольшей степени проявляется водная эрозия. Она ослабевает к югу, но сопровождается усилением процессов ветровой эрозии. Последняя как правило начинается при скорости ветра свыше 5 м/сек и происходит независимо от сезона года. Вероятность ее проявления повышается к весеннему сезону, в период, когда почва не защищена растительностью и пожнивными остатками, находится в разрыхленном, распыленном и подсушенном состоянии. Наибольшей устойчивостью обладают почвы, находящиеся под лесом и степной растительностью [Гарифуллин и др., 1979].
Количественно-качественный анализ структурного состояния почвы
Климат степного Зауралья характеризуется резкой континентальностью [Мукатанов, 2002]. Восточную часть территории республики занимают Уральские горы, которые заслоняют Зауралье от холодных атлантических масс. До проникновения на восток морские воздушные массы, несущие осадки, преобразовываются в более сухие, обусловливая при этом повышенную температуру и засуху летнего периода [Агроклиматические ..., 1976]. Под воздействием солнца и непрерывных теплых и сухих ветров на открытых степных районах происходит высокое испарение влаги с почв, по Г.Т.Селянинову [1961] величина испарения достигает 10-15 мм в сутки.
В результате влияния холодного сибирского воздуха зимний период характеризуется относительно пониженной температурой [Хазиев и др., 1995]. Происходит частое сдувание снега с открытых пространств, что отражается на высоте снежного покрова [Чибилев, 2003]. Снежный покров в регионе держится 155-170 дней, обычно не превышает 30см. При этом почва промерзает до глубины более 1м и отрицательная температура на этой глубине до конца апреля.
С севера на юг среднегодовое количество осадков уменьшается от 422 до 308 мм [Комплексная программа…, 1995; Кираев и др., 2004]. В том же направлении происходит закономерное повышение среднесуточной температура воздуха. Температура воздуха в среднем за год колеблется в пределах от 1,4 до 1,8С. При этом наиболее жаркими месяцами являются июнь и июль, самыми холодными - январь и февраль.
Засушливые дни летних месяцев характеризуются повторяющимися сильными южными ветрами-суховеями и пыльными бурями. Часты и продолжительны засухи с повторяемостью 40-50%. В направлении с запада на восток и с севера на юг закономерно повышаются сумма температур выше 10C, а также среднесуточная температура. Безморозный период также увеличивается с севера на юг - от 100-110 до 110-120 дней [Тайчинов, Бульчук, 1975].
Особенностью степного Зауралья Башкортостана является вегетационный сезон с длительным периодом дефицита влаги, которая выступает лимитирующим фактором. По этой причине земледелие в Башкирском Зауралье ориентировано на применение комплекса мер по накоплению и экономному расходованию почвенной влаги [Кираев, 2007; Лапиков, Власова, 2007]. Рельеф. Территория Зауралья РБ характеризуется сильной расчлененностью рельефа. В геоморфологическом плане выделяются два основных элемента: равнина и мелкосопочник [Вербицкая, 1964; Атлас РБ, 2005]. Зауральский пенеплен (равнина) занимает обширную территорию, которая граничит с соседними регионами (Челябинская и Оренбургская области) и полностью относится к степной зоне. В междуречьях рельеф преимущественно выровнен и слабо расчленен.
Зауральский мелкосопочник занимает относительно узкую полосу по восточным склонам хребта Уралтау, которая характеризуется очень сложным рельефом вулканогенного и осадочного происхождения с расчлененностью 0,5-1,5 км на км2 и глубиной местных базисов эрозии от 100 до 250 м. Другими авторами [Кираев и др., 2004] в Башкирском Зауралье выделяются три округа: Присакмарский межгорно-долинный, Зауральский увалисто-предгорный, Зауральский сопочно-равнинный. Присакмарский округ является переходным от горно-лесной к нагорной степной зоне. Для него характерны неравномерная увлажненность, теплый и умеренно засушливый климат. Зауральский увалисто-предгорный округ - переходная от горно-лесной к равнинной степной зоне полоса. Сопочно-равнинный округ - наиболее теплый не только в Зауралье, но и в целом в Республике Башкортостан. Характерны длительные и часто повторяющиеся засухи.
Гидрографическая сеть. Своеобразный рельеф, неравномерное распределение атмосферных осадков по территории отразились на развитии сети поверхностных вод и особенностях формирования их гидрологического режима [Черняев, 1987].
Основу гидрографической сети составляют реки Урал и Сакмара с притоками, а также многочисленные озера, в особенности на севере зоны. В регионе имеется ряд гидроузлов, в число которых относятся старые пруды Султанкуль, Графское озеро, проточное озеро-пруд Чебаркуль. Были построены и сданы в эксплуатацию водохранилища: Таналыкское, Сакмарское, Матраевское, Хворостянское, Кызылташское и Маканское.
Флора и растительность. Для Зауралья характерна большая сложность и пестрота растительного покрова, однако в качестве зональной доминирует степная растительность [Жудова, 1961; Миркин и др., 2004], которая вследствие освоения земель распашкой, сохранилась только в условиях рельефа, неблагоприятного для пахотного использования. Флора и растительность Башкирского Зауралья меняется по градиенту увлажнения, отмечается ксерофитизация растительности.
Согласно П.П. Жудовой [1966] и Б.М.Миркину с соавт., [2004] основная растительность Зауралья представлена типичными степями с доминированием Stipa zalesskii на севере и Stipa lessingiana и S. korshinskyi в южной части региона.
На севере региона (Учалинский район) травяной покров представлен луговыми и настоящими злаково-разнотравными, а также петрофитными степями, остепненными и пойменными лугами, которые сочетаются с островными сосновыми борами, осиново-березовыми и березовыми колками. Травяной покров вершин и верхних частей склонов водораздельных увалов представлен смесью лесных и лугово-степных видов. На рыхлых наносах пологих склонов распространены преимущественно сообщества луговых степей, реже встречаются настоящие степи. На пониженных участках рельефа в виде мелких впадин ввиду некоторого лучшего увлажнения состав разнотравья более богатый и преобладает над степными злаками. Нижние части склонов увалов отличаются значительной пестротой сообществ луговых степей ввиду сильного варьирования условий увлажнения. Довольно широкое распространение нашли кустарниковые степи. На каменистых участках вершин и крутых склонах увалов с выходами коренных пород распространены петрофитные степи. Днища долин заняты разнотравными пойменными лугами [Куликов, 2005].
Эколого-таксономический анализ ЦВЦ под фитомелиорантами
Вдоль градиента север-юг постепенно уменьшается надземная и подземная масса трав. При этом у многолетних трав естественных сообществ наблюдается максимальная доля корней в общей фитомассе, у сеяных трав она ниже и возрастает доля надземной фракции. У зерновых культур также наблюдается преобладание доли подземной части в общей фитомассе, однако оно значительно ниже, чем у многолетних трав. Таким образом, от трав естественных сообществ к многолетним сеяным травам и, далее, к зерновым культурам, наблюдается закономерное снижение отношения корневой массы к надземной.
Анализируя закономерности формирования урожая трав на черноземах Зауралья, можно сделать следующие обобщения. В зональном ряду черноземов от выщелоченного, к обыкновенному и, далее, к южному наблюдается уменьшение величины фитомассы, как надземной, так и подземной. Во всех районах исследования максимальное формирование корней характерно для трав злаковых трав естественной степи и костреца безостого. Выявлено, что разные растения отличаются не только накоплением, но и характером профильного распределения корней. Подземная масса у всех трав значительно снижается с глубиной.
У злаковых трав естественной степи и костреца безостого основная масса корней сконцентрирована в верхнем слое почвы: в выщелоченном и обыкновенном черноземе доля корней в слое 0-5 см составляет 60-80% от общей фитомассы. В черноземе южном эти значения ниже (50-70%), что свидетельствует о перераспределении корней растений в более глубокие слои в засушливых местностях. Приведенные данные подтверждают, что сосредоточение корневой массы в поверхностных слоях, создавая мощный каркас, обусловливает высокую эрозионную устойчивость почвы под многолетними травами.
В варианте пашни с бобовыми культурами так же наблюдается сосредоточение корневой массы в верхнем слое (0-5см), при этом доля этого слоя ниже по сравнению с травами степи. Существенную долю занимает здесь также подземная фитомасса нижележащих слоев. По характеру распределения подземной массы зерновые культуры близки к сеяным бобовым травам. Результаты полевого опыта. В 2009 году нами был заложен мелкоделяночный опыт в условиях чернозема обыкновенного, где были посеяны разные виды бобовых и злаковых многолетних трав для изучения формирования их биологической продуктивности в динамике по годам жизни. Делянки закладывались размерами 3 м2 (1x3) в 3-кратной повторности.
Анализ формирования надземной массы на опытных делянках показал, что на 2-й год жизни у злаковых трав воздушно сухая масса почти в 3 раза меньше чем у бобовых культур, на 3-й год показатели увеличиваются и выравниваются (таблица 3.3). Формирование подстилки, наоборот, во 2-й год несколько выше у злаковых трав. На 3-й год масса подстилки увеличивается до одинакового уровня у злаковых и бобовых трав. У злаковых трав доля подстилки на 2-й год жизни составила свыше 50% общей надземной фитомассы, что в два раза выше бобовых трав. На 3-й год жизни у злаковых трав доля подстилки уменьшается, у бобовых – увеличивается.
Агроэкологические функции любой почвы в качестве среды обитания многочисленных почвообитающих организмов прежде всего связаны с ее структурным состоянием. Структура почвы – это обособленные почвенные агрегаты или отдельности, разной формы и величины, на которые распадается масса почвы в сухом состоянии. Благодаря формированию макроагрегатов оптимизируется соотношение воздушной и твердой фаз почвы, при которой создается нормальные увлажнение и аэрация, необходимые для жизнедеятельности почвенной биоты и реализации потенциального плодородия. Агрономически ценными считаются агрегаты размером от 10 до 0,25 мм. Важными качественными показателями структурных агрегатов являются водопрочность, т.е. сопротивляемость разрушающему действию воды, а также устойчивость к дефляции.
Известно, что для структурного состава черноземов Зауралья характерна высокая глыбистость (более 30%) [Хазиев и др., 1995]. Повышенная водопрочность структуры отмечается в черноземах выщелоченном и обыкновенном, а низкая – в южном. При этом в тяжелосуглинистых разновидностях она выше, чем в легкоглинистых.
Однако свойства структуры определяются не только особенностями генетических характеристик почвы, а также степенью окультуренности и интенсивностью ее использования. Многие авторы отмечают, что активное вовлечение и длительная эксплуатация почв Зауралья под пашней способстовало распылению структуры почвы [Хамидуллин и др., 1990; Хазиев и др., 1998; Суюндуков, 2001 и др.]. Структурно-агрегатный состав почвы во многом зависит от технологий обработки, состава культур севооборота, системы удобрений и т.п. Влияние разных растений на качество структуры и плодородие почвы в целом неодинаковое [Докучаев, 1949; Костычев1951; Вильямс 1949].
Функциональное разнообразие микробных сообществ методом МСТ
Физико-химические свойства. Структурное состояние почвы зависит также и от физико-химических свойств. Так, например, состав поглощённых катионов определяет не только физико-химические и агрохимические свойства почв, но и оказывает влияние на структурное состояние и зависящие от него водно-физические свойства и воздушный режим. Катионы кальция и магния способствуют формированию водоустойчивых агрегатов, водорода и алюминия — распылению структурных отдельностей и кислотному разрушению минералов. [Синицына и др., 2013]. В связи с этим нами проводился анализ агрегатов верхнего слоя почвы по определению следующих показателей: сумма поглощенных оснований, Ca2+, Mg2+, Naобмен., Naподвижн.(в мг.-экв/100 г почвы).
Сумма и состав поглощенных оснований. Увеличение в почве содержания гумусовых веществ и ила сопровождаются повышением емкости поглощения [Горбунов, 1955; Ковриго, 2000]. Почвы, насыщенные двух и трехвалентными катионами, обладают устойчивым поглощающим комплексом. Коллоиды находятся в них в виде водоустойчивого геля, способного склеивать более крупные почвенные частицы. Обычно такие почвы обладают хорошей структурой.
Пониженные значения суммы поглощенных оснований является характерным показателем того, что почвы имеют склонность к подкислению и соответственно нуждаются в проведении известкования [Ильичев и др., 2014]. По данным Е.В. Быкова [2010] более окультуренные почвы по сравнению со слабоокультуренными характеризуются большей суммой поглощенных оснований, большим содержанием подвижных форм фосфора и калия, меньшей гидролитической кислотностью.
Агрономические свойства почв, а именно структурно-агрегатный состав и водопрочность, во многом определяются количеством и соотношением катионов (кальция, магния, водорода, калия, натрия и т.д.) в составе поглощенных оснований, характерных для разных типов почв. В черноземах в составе почвенно-поглощающего комплекса (ППК) преобладают ионы кальция и магния [Голубев, 1982; Ковриго, 2000]. Прочность структуры определяется зарядом катионов и характером их сцепления с почвенными коллоидами [Толковый словарь…, 1965].
Чернозем обыкновенный характеризуется достаточно высоким значением суммы поглощенных оснований, достигающим до 30-70 мг.-экв./100 г почвы [Хазиев и др., 1995]. Наши исследования показали, что в слое 0-30 см в разных по размеру фракциях агрегатов этот показатель варьирует в тех же пределах (рисунок 3.11). В почве естественной степи отмечено повышение суммы поглощенных оснований по мере уменьшения размера агрегатов, что не наблюдается в пахотных почвах.
Кальций хороший коагулятор, способствующий свертыванию почвенных коллоидов и формированию водоустойчивых агрегатов. В почвенно-поглощающем комплексе сильногумусированных почв содержится около 98-99% кальция. Соколовский А.Н. назвал кальций стражем структуры [Синицына и др. 2012]. Образование ценной зернистой водопрочной структуры В.А. Ковда [1973] связывал именно с накоплением в почве гумуса, коагулированного кальцием. Поэтому в тяжелых почвах при уменьшении количества кальция происходит разрушение структуры. Цементация механических элементов, их склеивание и формирование водопрочных почвенных агрегатов происходят благодаря накоплению в почве углекислого кальция [Ковда, 1973; Воеводина, 2011].
Интенсивное сельскохозяйственное использование земель приводит к снижению содержания кальция в почвах, что по-разному отражается на их плодородии [Шильников, Лебедева, 1987]. В настоящее время эта проблема усугубляется учащением выпадения кислотных дождей, способствующих подкислению почв [Митрофанова, 2011].
Е.М. Митрофоновой [2011] на дерново-подзолистых почвах выявлена тесная положительная корреляционная связь между содержанием обменного и подвижного кальция с содержанием ила и физической глины (значения коэффициентов корреляции варьируют в пределах от 0,68 до 0,90) Также выявлены тесные отрицательные корреляционные связи (r = -0,85, r = -0,73) с углеродом, органическим веществом.
По нашим данным, в агрегатах почвы содержание кальция варьирует на уровне 21,14 34,47 в мг-экв./100 г почвы (таблица 3.11). Следует отметить, что, несмотря на относительную выравненность показателей по фракциям структуры, в агрегатах крупнее 1 мм отмечена тенденция к некоторому повышению содержания кальция с глубиной. Не отмечено также различий по данному показателю в почвах разных угодий.
Магний - важный макроэлемент питания растений, который принимает участие в деятельности ферментов и фотосинтетических процессах. Кроме того, он играет важную роль и в процессах, связанных с фиксацией атмосферного азота бобовыми травами [Митрофанова, 2011].
В почве магний находится в составе разных минералов, а также представлен в форме ионов почвенного раствора, а также обменным магнием в составе катионообменного комплекса [Барбер, 1988]. Небольшое содержание магния в почве (до 15 % от емкости поглощения) не оказывает неблагоприятные действия на ее свойства, однако его избыток в почве может привести к так называемому магниевому засолению почвы и пептизации почвенных коллоидов. Оптимальное соотношение кальция к магнию в почве 5:1 [Синицына и др. 2012].
Определение содержания магния в черноземе обыкновенном показали, что в агрегатах почвы степи оно колеблется в пределах от 3,1 до 4,2 мг.-экв/100г. На пашне показатели выше: под посевом многолетних трав - от 4,7 до 5,8 мг.-экв/100 г, под зерновыми культурами - от 5,1 до 5,8 мг.-экв/100 г (рисунок 3.12). При этом не наблюдается заметных различий в разных фракциях структурных агрегатов.
Выявлена положительная корреляционная связь содержания магния в почве с активностью микроорганизмов на МПА, участвующих в синтезе органического азота (r=0,7).
Натрий. Данные о содержании обменного натрия большое значение имеют при оценке свойств степных, сухoстепных и пoлупустынных пoчв. Пo его содержанию определяют степень солонцеватости почв и рассчитывают дозы мелиорантов. В формировании структурных агрегатов натрий может сыграть отрицательную роль. Его повышенное содержание приводит к пeптизации почвeнных коллoидoв, что наблюдается на солонцовых почвах. Для них характерна неводопрочная структура, липкoсть при увлажнении и большая твердoсть при высыхании. Для натрия характерна высокая растворимость и подвижность, поэтому он при недостаточном увлажнении легко накапливается в зоне испарения капиллярной влаги, а при избытке -вымывается из пoчвы. Натрий диспергирует почвы, если содержится в обменном состоянии более 5-10 мг-экв/100г почвы, при этом обеспечивается сильная набухаемость и усадка. На растения он оказывает токсическое действие, особеннo в виде Na2CO3. При наличии натрия у растений ухудшается усваивание питательных веществ из-за токсичности солей или они быстро вымываются из почвы [Натрий в почве http://www.garden-site.ru/natrij-v-pochve].
Результаты наших исследований показали, что обменный натрий в почве естественной степи варирует в пределах от 0,06 до 0,22 мг.-экв/100 г почвы, в пашне с многолетним травами - от 0,13 до 0,23 мг.-экв/100 г почвы и в почве под зерновыми культурами от 0,06 до 0,20 мг.-экв/100 г почвы (рисунок. 3.13). Содержание подвижных форм натрия имеет тесную корреляционную связь с обменным натрием (r = 0,97), их значения немного выше и варируют от 0,17 до 0,27 мг.-экв/100 г почвы (рисунок 3.14).