Содержание к диссертации
Введение
1 Роль растений-фитомелиорантов и цианобактериально-водорослевых ценозов в почвообразовательных процессах (обзор литературы) 8
1.1 Роль растений в формировании физического статуса почвы 8
1.2 Роль многолетних трав в структуре почвы 13
1.3 Роль цианобактериально-водорослевых ценозов в почвообразовательных процессах 17
1.5 Взаимосвязь высших растений с цианобактериально-водорослевыми ценозами в почвах 26
2 Эколого-географическая характеристика зауралья республики башкортостан 30
2.1 Краткая характеристика климата 30
2.2 Рельеф 31
2.3 Почвы и почвообразующие породы 33
2.4 Флора и растительность 37
3 Материалы и методика исследований 40
3.1 Объекты исследований 40
3.1.1 Чернозем обыкновенный 40
3.2 Методы исследований 43
4 Особенности состава цвц в почве под фитомелиорантами 49
4.1 Общая эколого-таксономическая характеристика ЦВЦ 49
4.2 Сравнительный анализ таксонов ЦВЦ в почве под бобовыми и злаковыми растениями 56
4.3 Разногодичная динамика ЦВЦ 65
4.4 Особенности распределения ЦВЦ под различными растениями в ризосфере 72
5 Биологическая продуктивность фитомелиорантов, агрофизические, агрохимические свойства чернозема обыкновенного и их взаимосвязь с цвц 85
5.1 Биологическая продуктивность фитомелиорантов 85
5.2 Агрофизические свойства чернозема обыкновенного под разными травами 92
5.3 Особенности распределения ЦВЦ в почвенных агрегатах 102
5.4 Агрохимические свойства чернозема обыкновенного 110
5.5 Целлюлозолитическая активность чернозема обыкновенного под разными видами трав 116
Выводы 121
Список литературы 123
Приложения 164
- Взаимосвязь высших растений с цианобактериально-водорослевыми ценозами в почвах
- Почвы и почвообразующие породы
- Сравнительный анализ таксонов ЦВЦ в почве под бобовыми и злаковыми растениями
- Агрофизические свойства чернозема обыкновенного под разными травами
Введение к работе
Актуальность проблемы. Среди организмов, принимающих активное участие в почвообразовательном процессе, наиболее важная роль принадлежит растениям, в особенности многолетним травам. Благодаря обильному развитию подземной и надземной фитомассы, они накапливают значительное количество органического вещества, являющегося источником формирования гумуса, который принимает активное участие в образовании почвенной структуры [Прянишников Д.Н., 1963; Мальцев Т.С., 1971; Ковда В.А., 1983; Мукатанов А.Х., Харисов М.К., 1996; Татаринцев Л.М. и др., 2003; Tisdall J.M., Oades J.M., 1982].
Общеизвестно, что цианобактериально-водорослевые ценозы (ЦВЦ), являясь обязательным компонентом всех типов почв, зависят от состава растительности и участвуют в почвообразовательных процессах. Проведенные ранее исследования чернозема обыкновенного Зауралья Республики Башкортостан показали высокую эффективность использования высших растений в качестве мелиорантов, при котором большое значение имеет величина их подземной фитомассы [Суюндуков Я.Т. и др., 2007; Хасанова Р.Ф., 2007]. В связи с этим возникла необходимость изучения совместного влияния ЦВЦ и растений на свойства почвы.
Степень разработанности. По изучению состава альгофлоры почв в условиях Зауралья имеются отдельные работы [Хайбуллина Л.С., 2000; Ахмедьянов Д.И., 2012, Гайсина Л.А., 2013; Фазлутдинова А.И., Кабиров Р.Р., 2013]. В то же время недостаточно изучены структура, состав и роль цианобактериально-водорослевых ценозов в формировании физического статуса, в частности в структурообразовании этих почв. Отсутствуют также сведения о ЦВЦ чернозема обыкновенного под разными видами растений-фитомелиорантов.
Цель диссертационной работы: выявить состав и особенности цианобактериально-водорослевых ценозов чернозема обыкновенного под растениями-фитомелиорантами в условиях Зауралья Республики Башкортостан и определить их взаимосвязи со свойствами почвы.
Задачи исследований:
определить видовой состав ЦВЦ чернозема обыкновенного под злаковыми и бобовыми травами, провести таксономический и экологический анализ;
провести анализ разногодичной динамики ЦВЦ почв и выявить особенности распределения ЦВЦ в ризосфере фитомелиорантов;
определить качественные и количественные показатели ЦВЦ в структурных агрегатах почвы;
выявить особенности структуры биопродуктивности фитомелиорантов, агрофизические, химические свойства и целлюлозолитическую активность почвы, установить их взаимосвязи с ЦВЦ.
Научная новизна работы. Впервые проведен анализ таксономической и экологической структуры ЦВЦ чернозема обыкновенного под бобовыми и злаковыми фитомелиорантами в условиях Зауралья Республики Башкортостан. Дана структурно-функциональная характеристика ЦВЦ в агрономически ценных почвенных агрегатах. Выявлены корреляционные связи биопродуктивности и свойств почвы с ЦВЦ.
Практическая значимость. Полученные данные могут быть использованы в высшей школе при изучении курсов систематики низших растений, экологии, почвенной альгологии, биологии почв, для пополнения списка видов цианопрокариот и водорослей Республики Башкортостан, при обосновании приемов фитомелиорации деградированных почв, при разработке системы рационального природопользования агроландшафтов, а также охраны почв Зауралья.
Методология и методы исследования. В основу методологии изучения ЦВЦ и свойств чернозема обыкновенного под фитомелиорантами был положен системный подход: совместное и одновременное изучение структуры и состава ЦВЦ, продуктивности фитомелиорантов, химических и физических свойств почв. В работе применялся комплекс стандартных альгологических и почвоведческих методов [Агрофизические…, 1973 и др.; Штина Э. А., Голлербах М. М., 1976; Алексахина Т. И., Штина Э. А., 1984; Кузяхметов Г. Г., Дубовик И. Е., 2001].
Личное участие автора. Отбор и анализ образцов, закладка опыта, проведение экспериментальных исследований, обработка, интерпретация полученных результатов, подготовка публикаций и оформление работы выполнены лично автором.
Положения, выносимые на защиту:
чернозем обыкновенный под фитомелиорантами характеризуется высоким биоразнообразием ЦВЦ;
фитомелиоративная эффективность определяется величиной надземной и подземной фитомассы трав, от которых зависят целлюлозолитическая активность и агрофизические свойства почвы, а также биоразнообразие и количественные показатели ЦВЦ;
агрофизические и агрохимические свойства почв обусловливают биоразнообразие ЦВЦ.
Публикации и апробации работы. По теме диссертации опубликовано 16 научных работ, в том числе 4 статьи в журналах, рекомендованных ВАК.
Результаты и основные положения работы были представлены на конференциях: V Всероссийская научно-практическая конференция «Проблемы экологии Южного Урала» (Оренбург, 2011); Всероссийская молодежная конференция ИЭРиЖ РАН «Экология: традиции и инновации» (Екатеринбург, 2012), Международная конференция «Актуальные проблемы современной альгологии» (Киев, 2012), IV Всероссийская школа–конференция «Актуальные проблемы геоботаники» (Уфа, 2012), II (X) Международная ботаническая конференция молодых ученых (Санкт-Петербург, 2012), II Всероссийская научно-практическая конференция «Эколого-биологические и медицинские исследования на Южном Урале» (Уфа, 2013).
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, выводов, списка литературы, включающего 393 источника, в том числе 71 на иностранных языках. Работа содержит 187 страниц текста, иллюстрирована 15 рисунками и включает 47 таблиц и 31 приложение.
Благодарности. Автор благодарит коллектив преподавателей, лаборантов и студентов кафедр ботаники БашГУ, СИ (филиал) БашГУ, коллектив научных сотрудников ГАНУ «Институт региональных исследований РБ» за поддержку, выражает искреннюю благодарность и признательность за неоценимую помощь научным руководителям д.б.н., проф. И. Е. Дубовик и к.б.н. Р. Ф. Хасановой, за активное участие в обсуждении результатов д.б.н., проф. Я.Т. Суюндукова, помощь в организации экспедиций А. Р. Аблаевой.
Взаимосвязь высших растений с цианобактериально-водорослевыми ценозами в почвах
Положительное воздействие ЦВЦ на прорастание растений показывают Г.Н. Перминова [1964], Е.М. Панкратова [1970]. Цианобактериальная обработка семян положительно сказывается на прорастание хвойных [Домрачева Л.И., Трефилова Л.В., 2004], стимулируют рост культурных растений [Голлербах М.М., Штина Э.А., 1969]. Исследования, показывают, что цианобактерии, выделенные из ризосферной зоны риса, способствуют прорастанию и росту семян пшеницы и риса [Naveen K. Sharma at al., 2013]. Цианобактерии являются доминантной составляющей в бактериальном сообществе корней эпифитных орхидных и стимулируют прорастание семян [Цавкелова Е.А. и др., 2003; Цавкелова Е.А. 2003]. Установлено, что цианопрокариоты способны заселять вегетативные органы растений [Баулина и др., 2000; Лобакова и др., 2001; Цавкелова, 2003; Горелова и др., 2003; Enderlin C.S., Meeks I.C., 1983; Rai et al., 2000].
Цианобактерии также оказались хорошо совместимыми с бактериями рр. Rhizobium, Flavobacterium, Pseudomonas и Agrobacterium. Установлен факт проникновения гормогоний цианобактерий внутрь клубенька. Это свидетельствует о наличии более глубокого контакта корней гороха с цианоризобиальным консорциумом, что расширяет представление о физиологических возможностях бобовых растений при образовании симбиозов. Выявлено, что цианобактерии в виде монокультур, смеси нескольких видов и цианобактериальных консорциумов оказывают ингибирующее действие па развитие фитопатогенных грибов. Особый интерес связан с возможностью использования цианобактерий для борьбы с фитопатогенными грибами р. Fusarium [Трефилова Л.В., 2008]. Исследования последних лет показывают, что при замене аборигенной микрофлоры бактерий-спутников цианопрокариот на агрономически полезные штаммы бактерий можно получить цианобактериальные консорциумы, обладающие высоким агробиотехнологическим потенциалом [Трефилова Л.В., 2008; Ковина А.Л., 2001; Заварзин Г.А., 2003; Зяблых Р.Ю., 2009].
Выcшие раcтения окaзывают влияние нa ЦВЦ в ризоcфной зоне почвы [Штинa Э.А., 1959; Штинa Э.А. и др., 1964; Бaйрамова Л.А., 1967; Сaйфуллина З.Н., Киреева Н.А., 1984; Сaйфуллинa З.Н., 1996; Нурмухаметов Н.М., 2002; Шмелёв Н.А., 2009; Кузяхметов Г.Г., 2009; Шарипова М.Ю., 2012; Gonsalves E.A., Yalavigi V.S., 1960; Hadfield W., 1960; Katznelson H., 1956; Cullimore D.R., Woodbine M., 1963 и др.]. Почвенные ЦВЦ с растениями образуют сложные трансбиотические отношения [Штина Э.А., Голлербах М.М., 1976; Пивоварова Ж.Ф., 1982; Штина Э.А. и др., 1998; Сугачкова Е.В., 2000; Шмелёв Н.А., 2002; Илюшенко А.Е., 2003], с бактериями – альгобактериальные сообщества, обуславливают первичный почвообразовательный процесс [Зенова Г.М., Калакуцкая А.Н., 1993; Сомова Н.Г. и др., 1998; Дубовик И.Е., Закирова З.Р., 2006].
Термин «ризосфера» несёт совершенно чётко определённую смысловую нагрузку, неразрывно связанную с экологией растений [Hinsinger P. at al., 2005; Whalley W. R. at al., 2005]. Cледует подчеркнуть двa оcновных моментa: во-первых, отcутствие резких границ у ризоcферной зоны; во-вторых, отcутствие указаний на обязательноcть только положительного влияния поверхноcти корня раcтения на количество микроорганизмов в почве [Алексахина Т.И., Штина Э.А., 1984]. Изменениями мы можем называть и увеличение, и уменьшение численности популяций, и вариации в структуре комплексов микроорганизмов без изменения их общей численности [Кириллова Н.П., 1983]. При этом имеет значение как прямое воздействие на водоросли в зоне ризосферы, так и средообразующая роль высших растений [Шмелёв Н.А., 2009]. Доказательством прямых связей является альгоризосферный эффект – накопление водорослей в прикорневой зоне почвы, влияние продуктов метаболизма водорослей на прорастание семян.
Косвенное действие цианопрокариот и водорослей на высшие растения проявляется через эдафоэкотоп (изменение физико-химических свойств почвы, выделяемых в окружающую среду хелатов, закрепление трофических элементов в верхних слоях почвы, обогащение среды азотом за счет деятельности водорослей-фиксаторов атмосферного азота). Высшие растения оказывают действие на эти организмы через создаваемую ими фитосреду, через растительный опад и т. д. [Шмелев Н.А., 2009]. На характер взаимоотношений между компонентами агрофитоценозов влияют также агрогенные факторы [Кузяхметов Г.Г., 2009].
Влияние растений на ЦВЦ возможно благодаря корневым выделениям, а также в связи с особыми режимами, складывающимися в ризосфере [Красильников Н.А., 1958; Голлербах М.М., Штина Э.А., 1969; Османова Р.А., 1974; Штина Э.А., Голлербах М.М., 1976; Кузяхметов Г.Г., Минибаев Р.Г., 1996].
Как показывают работы ряда авторов, ризосфере каждого высшего растения соответствует своя альгогруппировка, при этом тип почвы не оказывает существенного влияния на ризосферный эффект [Штина Э.А. и др., 1964; Алексахина Т.И., Штина Э.А., 1984].
Видовое разнообразие ЦВЦ ризосферной зоны может быть либо больше [Пивоварова Ж.Ф., 2005; Consalves E.A., Yalavigi V.S., 1960] или меньше [Штина Э.А., 1955]. Корневые выделения влияют на определенные группы этих организмов в ризосферной зоне [Штина Э.А. 1956; 1964; Болышев Н.Н., 1964], однако не являются основным источником питания ЦВЦ [Штина Э.А., 1956].
Некоторые авторы отмечают отсутствие специфичных видов в ризосфере [Алексахина Т.И., Штина Э.А., 1984]. В работе М.Ю. Шариповой [2012] в ризосфере травянистых растений ЦВЦ характеризовались специфичностью, разнообразием таксономического состава и экобиоморф. В ризосфере формируются раличные группировки ЦВЦ, и котрольная и ризосферная почвы отличаются соотношением отдельных групп водорослей, причем в ризоплане видовое разнообразие ниже, чем в ризосферной почве [Кондакова Л.В., 2012]. Влияние травянистых растений на ЦВЦ поверхностного слоя почвы изучено Ж.В. Пивоваровой [1986], Г.Г. Кузяхметовым [2006], Л.З. Асфандияровой [2006] и др. Дерновина степных злаков оказывает дифференцирующее действие на ЦВЦ. Ж.Ф. Пивоварова [1974] отмечает, что в дерновине ковыльков (Stipa caucasica, S. glareosa) видовой состав ЦВЦ беднее. В живой дерновине более разнообразны Cyanoprokaryota и Bacillariophyta, в мертовой – диатомовые не встречаются. Сильное задернение неблагоприятно влияет на Cyanoprokaryota и трихальные Chlorophyta [Шушуева М.Г., 1980]. Подстилка влияет на биоразнообразие и численность ЦВЦ у края дерновины, она играет важную роль в регулировании гидротермического воздушного режимов почвы, определяет состав ее живого населения. В подстилке и под ней ЦВЦ меньше, чем на голых участках почвы, отсутствуют типичные наземные формы [Штина Э.А., 1965; Шушуева М.Г., 1980; Носкова Т.С., 1981], вместе с тем подстилка является своеобразной пространственной нишей многих видов, некоторые из них способны частично переходить в сапротрофии [Алексахина Т.И., Штина Э.А., 1984].
Почвы и почвообразующие породы
Почвенный покров пахотных угодий Зауралья РБ представлен доминирующими черноземами: выщелоченные (41%), обыкновенные (35,2%) типичные (11,6%) и южные (4%). Характерной чертой черноземов являются небольшая мощность гумусовых горизонтов, языковатость профиля, тяжелый механический состав, нечеткая дифференциaция на генетические горизонты, выcокая плотноcть, щебниcтость и галечниковатоcть на протяжении вcего профиля [Мурзaбулатов Б.С., 2009]. На обыкновенных и южных черноземах распространены карбонатные роды и маломощные виды. Для пахотных угодий характерна каменистость почвенного профиля. Механический состав почв преимущественно глинистый и тяжелосуглинистый (95% площади пашни) [Тайчинов С.Н., Бульчук П.Я., 1975].
Оcновными почвообрaзующими породами являютcя в Зауралье желто-бурые делювиaльные cуглинки и глины, имеющие лесcовидный характер и отличaющиеcя повышенной кaрбонатностью. В уcловиях раcчлененного рельефa наблюдаютcя смешанные элювиально-делювиальные отложения [Мурзабулатов Б.С., 2009].
Характеристику почвообразующих пород Зауралья РБ приводим по Ф.Х. Хазиеву и др. [1995]. Пестрота почвенного покрова связана с составом почвообразующих пород и разнообразием геологических отложений. Большая часть региона представлена породами девонской системы.
Большое разнообрaзие геологичеcких отложений определяют богaтство почвообрaзующих пород элементaми питания рaстений, оcобенно микроэлементaми, а иногда тяжелыми металлами. Содержание легкорастворимых солей от третичных морей, полевых шпатов в составе вулканогенных и метaморфических пород, приводят к обрaзованию cолонцов и cолончаков.
На кaрбонатных делювиaльных и элювио-делювиaльных отложениях cформировались черноземы обыкновенные, которые cевернее cменяются выщелоченными черноземaми.
Нa эллювии коренных горных пород обломки горных пород cлужат поcтоянным иcточником пополнения почв оcнованиями и некоторыми элементами питания растений. При распашке такие черноземы, будучи каменистыми, днем сильнее нагреваются и больше иссушаются. В результате возникают целые ксерофитные ландшафты, обычные для данной зоны.
Cреди рыхлых пород оcобое положение пород занимает древняя пеcтроцветная корa выветривания. Отложения этой группы являются продуктами каолинового выветривания, содержащие вторично аккумулированные легкорастворимые соли, на которых формируются солонцеватые и южные черноземы.
Помимо палеозойских вулканических пород также широко раcпространены четвертичные отложения. К ним отноcятся aллювиальные отложения, выcтилающие пойменные и нaдпойменные терраcы, и руcловой aллювий cовременных рек, озерные пеcчано-глиниcтые и гравийно-гaлечные грубообмолочные пролювиальные, а также cуглинистые делювиальные cклоновые отложения и элювиaльные покровные обрaзования [Хазиев Ф.Х.и др., 2012].
Р.С. Кираев с соавт. [2004] в Зауралье РБ предлагают выделить отдельную биогеохимическую провинцию, так как здесь почвообразующие породы характеризуются разнообразием и выcоким cодержанием тяжелых металлов и микроэлементов. Также, большое влияние на загрязнение почв тяжелыми металлами оказывают промышленные выбросы города Магнитогорск, расположенный приблизительно в 150 км [Фрид А.С., Граковский В.Г., 1993].
Для региона характерна повышенная распаханность сельскохозяйственных угодий [Хазиев Ф.Х. и др., 1995]. В 50-е гг. в пашню были освоены и склоновые, солонцеватые и другие малопродуктивные земли, это привело к усилению эрозионных процессов других негативных последствий. На сегодняшний день более 50% пахотных почв подвержено эрозии. Виды деградации и некоторые приемы рекультивации почв представлены в монографии И.М. Габбасовой [2004]. Дaльнейшее повышение поголовья cкота привело к cокращению пастбищ и к усиленной паcтбищной дегресcии cтепей и cнижению их продуктивноcти биорaзнообразия. Для современного состояния пахотных почв Зауралья РБ характерно отрицательный баланс гумуса, низкое содержание фосфора, развитие эрозионных процессов, достигающее 50,4% площади пашни с ежегодной потерей 3,7 т/га почвенной массы, содержащей 0,25 т гумуса, 13 кг азота, 7 кг фосфора и 70 кг/га калия [Мурзабулатов Б.С., 2009]. В работах А.Х. Мукатанова и М.К. Харисова [1996] также отмечается роль фитомелиорантов в улучшение агрофизических свойств.
Повышение пастбищных нагрузок привело к снижению продуктивности степей, к вытаптыванию почвенного покрова, разрушению подстилки, потере возобновления, а на склонах – к развитию эрозионных процессов. Эрозия почв – это проявление деградационных процессов, сказывающаяся на снижении плодородии почвы, сокращении пахотных земель и пастбищ. Для степного Зауралья характрно проявление ветровой эрозии и слабое проявление - водной 38,4%. Пашни подвержены слабой эрозии, 7,6% - средней и 2,4% - сильной [Хазиев Ф.Х. и др., 2012].
В местах cильного проявления эрозионных процесcов ежегодно с каждого гектaра пашни уноcится 35-50 и более тонн почвы, с этой массой теряется 3-5 т гумуса, 75-100 кг фосфора (Р2О5), 200-250 кг азота и значительное количество других питательных веществ. То есть, вместе с эрозионным мелкоземом теряется в двa раза больше питaтельных вещеcтв, чем их вносится в почву c минерaльными и органичеcкими удобрениями. По расчетам А.Х.Мукатанова [1992], утрата плодородного слоя чернозема толщиной всего лишь 1 мм приводит к потере на площади 1 га 45 кг азота, 18 кг фосфора и 180 кг калия. В то же время на выращивание 1 т зерна в среднем расходуется 33 кг азота, 10 кг фосфора и 26 кг калия.
Сравнительный анализ таксонов ЦВЦ в почве под бобовыми и злаковыми растениями
В почве под злаковыми травами обнаружен 91 вид из пяти отделов: Chlorophyta (42 видовых и внутривидовых таксонов), Cyanoprokaryota (35), Xanthophyta (7), Bacillariophyta (6), Euglenophyta (1), 9 классов, 15 порядков, 29 семейств, 53 родов (таблица 4.2.1).
В почве под бобовыми культурами обнаружено несколько большее видовое разнообразие ЦВЦ – 101 вид из пяти отделов: Chlorophyta (48), Cyanoprokaryota (36), Xanthophyta (10), Bacillariophyta (6), Euglenophyta (1), 10 классов, 14 порядков, 30 семейств, 62 родов (таблица 4.2.2).
Примечание: - таксоны не были встречены
Состав и структура ЦВЦ под злаковыми и бобовыми травами в целом идентичны, ведущими являются представители Chlorophyta и Cyanoprokaryota; коэффициент Съеренсена-Чекановского составил 61,5 %, что свидетельствует о сходстве экологических условий исследованных ЦВЦ. Отличием является то, что только под злаками обнаружены представители порядка Heterocloniales, только под бобовыми травами – Stigonematales, Vaucheriales - по одному виду. Цианопрокариоты и водоросли под злаками представлены 29 семействами, из которых десять ведущих составляют 66,8% (таблица 4.2.3). Первое место в спектре устойчиво занимает сем. Nostocaceae из отдела Cyanoprokaryota. В значительном отрыве находится сем. Neochloridaceae отдела Chlorophyta. Тройку ведущих семейств замыкает сем. Pseudanabaenaceae отдела Cyanoprokaryota. Тринадцать одновидовых семейств объединяют 14,3% от видового состава водорослей под злаковыми травами. ЦВЦ в почве под бобовыми представлены 30 семействами, спектр ведущих семейств составляет 69,6% от общего числа. Кроме того, ранговое положение особенно первых семейств схоже: в значительном отрыве от всех остальных семейство Nostocaceae; в состав ведущих входят также следующие семейства: Neochloridaceae, Chlorococcaceae, Pseudanabaenaceae, Chlamydomonadaceae, Phormidiaceae, Chlorellaceae.
Анализ родовой структуры представлен в таблице 4.2.4. Всего в родовом спектре водорослей под злаковыми травами зарегистрировано 53 рода, в почве под бобовыми - 62. Первое место в составе пяти ведущих родов, как под злаковыми, так и под бобовыми растениями уверенно удерживает род Nostoc, представленный 8 видами (таблица 4.2.4). Основную долю представителей ЦВЦ под злаковыми и бобовыми травами составляют виды родов: Chlamydomonas, Leptolyngbya, Phormidium, Chlorococcum.
Обнаружено 25 специфических видов, характерных только для ЦВЦ под злаковыми видами и 28 для ЦВЦ под бобовыми (приложение В).
Для ЦВЦ под злаковыми и бобовыми травами характерно относительное равное долевое участие морфотипов (рисунок 4.2.1).
Сквозной вид, встреченный во всех образцах почвы под злаковыми – широко распространенный цианопрокариот Nostoc linckia (CF-форма). Под бобовыми вид с более широкой экологической валентностью представитель отдела зеленых водорослей – Chlorococcum infusionum (Ch-форма).
Анализ ЦВЦ показал, что головная часть спектра экобиоморф злаковых и бобовых трав практически схожая, основной фон создают представители Ch-, CF-, X- и P- форм, однако в почве под бобовыми травами присутствует нехарактерная для ЦВЦ под злаковыми травами V-форма, представителем которой является Vaucheria sp., встреченная в почве под люцерной, также здесь больше hydr-форм (рисунок 4.2.2).
Агрофизические свойства чернозема обыкновенного под разными травами
Плотность. Плотность сложения считается одним из основных агрофизических свойств, так как от нее зависит значительная часть режимов и процессов, происходящих в почве [Сухов Д.Е., 2007]. Еще И.Б. Ревут [1972] писал, что «плотность следует рассматривать как первичный элемент не только всей физики почв, но и жизни растений». Плотность почвы определяет такие характеристики как водо- и воздухопроницаемость, теплоемкость и теплопроводность, которые определяют условия для сущетсвования почвенных микроорганизмов, прорастание растений и формирования их корневой массы. Существуют два фактора для формирования той или иной плотности – природные и антропогенные. Антропогенное воздействие выражается в системе обработки, севооборотом и системой удобрений. Также плотность зависит от возделываемых культур и состава растительности. Применение тяжелой техники приводит к переуплотнению почвы, что отрицательно сказывается на жизнедеятельности почвенной биоты.
Плотность в пахотном слое чернозема обыкновенного составляет 0,97-1,22 [Бурангулова М.Н. и др., 1973; Хазиев Ф.Х. и др., 1995] и находится в основном в пределах 1,15-1,20 г/см3 [Мукатанов А.Х., Харисов М.К., 1996].
В следствие, что корневая система высших растений имеет различное строение и мощность, неодинаково распределена по слоям почвы, состав растительных сообществ также влияет на плотность под травами естественных угодий и в пахотном слое. В связи с этим нами определена плотность почвы в слое 0-30 см под разными видами трав. Результаты определения приведены в таблице 5.2.1.
Из таблицы видно, что плотность почвы под травами колеблется от 0,83 до 1,40 г/м3. Наименее плотная почва характерна для трав из естественных сообществ: овсяницы и ковыля. Более высокая плотность отмечена под нутом, пшеницей и нижних слоях почвы под пыреем. Значения плотности под многолетними сеяными травами занимают промежуточное положение. Минимальную плотность имеет почва в верхнем слое 0-5 см, в особенности у ковыля (0,83 г/м3), овсяницы (0,90 г/м3) и пшеницы (0,87 г/м3). В нижележащих слоях от 5 до 30 см наблюдается достоверное повышение плотности почвы под всеми видами растений. Повышенная плотность под сеяными однолетними травами объясняется уплотняющим воздействием сельскохозяйственных машин при механизированной уборке и особенностями технологий возделывания.
По шкале, предложенной Ф.Ш. Гарифуллиным [1984], почва считается очень рыхлой при плотности менее 1,0 г/см3, уплотненной – при 1,2-1,3 и плотной – при плотности выше 1,3 г/см3. Плотность от 1,0 до 1,2 г/см3 является оптимальной для многих растений. Согласно данной шкале, плотность под изучаемыми травами у большинства видов находится в «оптимальных» пределах, однако считается «рыхлой» под ковылем для всего слоя 0-30см, овсяницей и пшеницей в слое 0-5см, «уплотненной» под пыреем и нутом в слое 5-15 см и «плотной» под пыреем, нутом в слое 15-30 см, под пшеницей в слоях от 5 до 30см. Это подтверждает роль многолетних растений в разуплотнении почвы. Агроэкологическая оценка плотности по шкале Н.А. Качинского также показывает (таблица 5.2.2.), что почва в слоях ниже 0-5 см под пшеницей и нутом относится к категориям «уплотнена» и «сильно уплотнена».
Известно, что плотность зависит от содержания гумуса, водопрочности агрегатов и корневой массы [Долгов С.И., Кузнецова И.В., 1969; Ревут И.Б., 1972; Говердов Д.В., 2005]. Проведенный нами корреляционный анализ также показал тесную отрицательную зависимость плотности почвы от содержания гумуса (r=-0,76), и корневой массы (r=-0,82). Корреляционный анализ не выявил зависимости между плотностью почвы и числом таксонов ЦВЦ.
Структурно-агрегатный состав почв. Главная особенность системы структурных уровней организации почв – иерархическая соподчиненность отдельных элементов. Агрегатный уровень – один из самых специфических уровней организации почв. В последнее время уделяется большое внимание изучению экологической роли почвенного агрегата, формируются концепции, рассматривающие агрегат как одну из основных структурно-функциональных единиц почвы [Хан К.Ю. и др., 2009]. Благодаря почвенным агрегатам предотвращается смыв и выдувание мелких механических элементов, обеспечивается нормальная аэрация и увлажнение. Структура почвы обусловлена как генетическими особенностями, так и ее характером хозяйственного использования. Использование в течение длительного периода времени целинных почв Зауралья явилось одним из негативных воздействий, способствующих разрушению структуры почвы, распылению структуры, развитию эрозионных процессов [Лысак Г.Н., 1981; Хамидуллин М.М. и др., 1990; Хазиев Ф.Х. и др., 1995; Мукатанов А.Х., 1995; Суюндуков Я.Т., 2001 и др.]. Одними из факторов улучшения структуры почв является биологический фактор, который включает в себя использование растений фитомелиорантов и микроорганизмов, поэтому наряду с изучением состава и структуры цианопрокариот и водорослей целесообразно детально рассмотреть влияние видов высших растений на структурное состояние почвы и роль ЦВЦ в структурообразовании. Исследования структурного состава почвы показали, что содержание агрономически ценных агрегатов размером 10-0,25 мм под разными видами растений колеблется в пределах от 74,32 (донник желтый) до 84,33% (овсяница ложноовечья) (таблица 5.2.3).
