Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Теоретические аспекты проблемы изменения свойств почв при сельскохозяйственном использовании 7
1.1. Изменение физико-химических и агрохимических свойств почв...11
1.2. Система контроля за изменением состояния почв в агроэкосистемах 25
Глава 2. Экологические условия почвообразования региона исследования ..31
Глава 3. Объекты и методы исследований 46
3.1. Объекты исследований 46
3.2. Методические основы проведения исследований в рамках программы локального агроэкологического мониторинга почв 50
3.3. Методы статистической обработки результатов аналитических определений 52
Глава 4. Морфогенетическая характеристика почв региона исследования 57
4.1. Морфологические особенности черноземов выщелоченных и серых лесных почв 57
4.2. Химические и физико-химические свойства почв 66
Глава 5. Влияние сельскохозяйственного использования на изменение свойств черноземов выщелоченных и серых лесных почв 76
5.1. Агрогенная трансформация морфологических признаков 76
5.2. Временная динамика содержания и запасов гумуса 90
5.3. Изменение физико-химических свойств почв 100
5.4. Динамика агрохимических свойств 116
5.5. Прогнозирование на основе экстраполяции тренда 131
Выводы 133
Список литературы
- Система контроля за изменением состояния почв в агроэкосистемах
- Методические основы проведения исследований в рамках программы локального агроэкологического мониторинга почв
- Химические и физико-химические свойства почв
- Изменение физико-химических свойств почв
Система контроля за изменением состояния почв в агроэкосистемах
Важнейшей глобальной функцией почв является накопление в поверхностной части литосферы в органогенных горизонтах специфического органического вещества - гумуса, обладающего громадным энергетическим потенциалом. Органическое вещество определяет структуру почвы, в значительной степени формирует ее физико-химические и обменные свойства и в определенной степени служит депо питательных элементов [Милащенко и др., 2000].
Органическое вещество почвы, как и его важнейшая часть – гумусовые компоненты возникло и накопилось в ходе почвообразования и поэтому содержание гумуса, его состав и распределение по почвенному профилю относят к числу важнейших почвенных признаков, отражающих, как современную историю почвообразования, так и историю развития почвенного покрова в целом. Содержание гумуса и параметры почвенных органических соединений быстро реагируют на изменение условий почвообразования; в частности на смену растительного покрова, на изменение состава и функций почвенной биоты, на внесение минеральных и органических удобрений и др. [Орлов, Трофимов, Бирюкова и др., 2002]. Первоначальное накопление органического вещества в естественных условиях на целинных почвах происходит медленно, поскольку слабо развита микробиологическая активность почв и мало растительных остатков, поступающих в почву. Затем процесс ускоряется и через некоторое время достигает сравнительно постоянного уровня [Орлов, Бирюкова, Розанова, 1996]. При сельскохозяйственном освоении целинной почвы содержание гумуса уменьшается, особенно резко в первые годы после распашки [Гринченко и др., 1964; Афанасьева, 1966; Минеев, Шевцова, 1978; Щербаков, Рудай, 1983; Кирюшин, 1987; Розанов, Таргульян, Орлов, 1989; Охинько и др., 1990; Лебедева, 1992; Кленов, 2000; Иванов, 2002; Муха, 2004]. Потери гумуса в течение первых лет оцениваются вышеуказанными авторами величиной 30-50 % от исходного. Основными причинами дегумификации целинных почв являются: - резкое снижение поступления в почву корневых и пожнивных остатков по сравнению с природными – в 2-8 раз (в зависимости от культуры, урожая и системы удобрений); - повышение аэрации вследствие интенсивных обработок; облегчается доступ кислорода воздуха к органическим веществам, интенсифицируется аэробная микробиологическая активность почв, что вызывает длительную минерализацию негумифицированной органической массы (лигногуматов, детрита) или увеличение степени его окисленности [Тюрин, 1965; Наплекова, 1974; Кирюшин, Лебедева, 1985; Мищенко, Халилова, 1991; Орлов и др., 1996; Фокин, 1996].
В последующие годы сельскохозяйственного использования процесс минерализации замедляется вследствие исчезновения детрита и повышения степени гумифицированности органического вещества. Это стабилизирует содержание и запасы гумуса на более низком уровне, соответствующем новым условиям сельскохозяйственного использования [Чесняк, 1965; Гринченко и др., 1973; Адерихин, Щербаков, 1974; Гринченко, Муха, Чесняк, 1979; Кирюшин, Лебедева, 1985; Олейник, 1987; Davidson, Ackerman, 1993; Шарков, 1997 и др.]. Д.С. Орлов с соавторами [1996] и В.В. Чупрова [1997] указывают, что продолжительное функционирование почв в агроэкосистемах приводит к равновесному состоянию органического вещества со свойственным ему уровнем устойчивости к биологическим потерям гумуса и установившейся скоростью круговорота углерода и азота. Уровень равновесного состояния (стабилизации) определяется количеством поступающих в почву растительных остатков и условиями минерализации, которые в свою очередь зависят от почвенно-климатических условий, способа и глубины обработки, системы удобрения, возделываемых культур, ротации севооборота и других агротехнических мероприятий. При этом возможны любые варианты: накопление гумуса при высоких урожаях и внесении значительных доз органических удобрений; стабильное состояние; потери гумуса при экстенсивном ведении сельскохозяйственного производства [Минеев, Шевцова, 1978; Охинько и др., 1990; Орлов, Бирюкова, Розанова, 1996]. Роль различных сельскохозяйственных культур в восполнении запасов гумуса неодинакова. При возделывании гумусопотребителей (пропашные и зерновые культуры) убыль гумуса всегда превышает количество, которое восполняется корневыми и пожнивными остатками. Возделывание гумусонакопителей (клеверозлаковые смеси, люцерна) снижает потребность в органическом веществе, при этом в почву дополнительно поступает 7,5-8,0 т/га подземной биомассы [цит. по: Державин, Седова, 1988]. По исследованиям А.И. Донос и П.Н. Кордуняну [1980], наибольшее количество остатков поступает после викоовсяной смеси (60-70 ц/га), из пропашных – после подсолнечника (56-67 ц/га). Незначительное количество оставляет кукуруза (25-35 ц/га). Ряд авторов указывает [Кордуняну, 1978; Шарков, 1987; Хазиев и др., 1991; Багаутдинов, 1997], что наиболее ценными в процессе гумификации являются растительные остатки, содержащие повышенное количество азота. Наиболее узкое соотношение C:N отмечено в растительных остатках клевера, люцерны, несколько выше у гороха и викоовсяной смеси, самое широкое у озимой пшеницы, кукурузы на силос и ячменя [Черников и др., 2001].
Методические основы проведения исследований в рамках программы локального агроэкологического мониторинга почв
Исторически сложившееся название «Средняя Сибирь» применяется к огромной территории, простирающейся от берегов Енисея на западе до Лены на востоке [Средняя Сибирь, 1964]. В данной работе рассматривается юго-западная часть Средней Сибири, входящая в состав Красноярского края.
В геоморфологическом отношении изучаемая территория расположена в пределах двух физико – географических стран [Герасимов, 1959; Воскресенский, 1962] или геоморфологических областей [Брицына и др., 1962] - юго-восточной окраине Западно – Сибирской низменности (до р. Енисей) и северной части Алтайско – Саянской горной страны (или гор и межгорных котловин Южной Сибири).
Согласно геоморфологическому районированию СССР [1980], юго-восточная окраина Западно – Сибирской низменности делится Кемчугским нагорьем на Ачинско – Боготольскую и Красноярскую лесостепи, которые в северной части переходят в зону подтайги или зону травяных мелколиственных лесов. Северная левобережная часть Алтайско – Саянской горной страны четко отделяется от Западно – Сибирской равнины хребтом Арга и делится в пределах изучаемой территории на две котловины: Назаровскую и Чулымо – Енисейскую. Котловины разделены друг от друга Солгонским кряжем – отрогом Восточного Саяна.
Используя информацию из опубликованных материалов [Коляго, 1953; Вередченко 1961; Брицына, 1962; Галахов, 1962, 1964; Любимова, 1964; Ерохина и др., 1964; Лиханов, 1964; Кириллов, 1970; Бахтин и др., 1971; Орловский, 1971; Сергеев, 1971; Агроклиматические ресурсы…1974; Шугалей, 1981; Бугаков и др., 1995; Топтыгин и др., 2002; Безруких, 2003] кратко рассмотрим экологические условия почвообразования вышеуказанных природных зон, где расположены объекты исследования. Лесостепи Средней Сибири (Красноярская, Ачинско – Боготольская, Назаровская и Чулымо – Енисейская) не образуют широтных зон и сплошного простирания, а разорваны на отдельные участки («острова»). Зона мелколиственных травяных лесов в отличие от лесостепных зон Средней Сибири образует широтный пояс до 56 с.ш. Участки травяных лесов также встречаются по периферическим частям лесостепных котловин, являясь компонентами вертикального ряда горных почвенных поясов [Ерохина и др., 1964].
Рельеф травяных мелколиственных лесов представляет собой переходную зону от лесостепи к тайге и делится на пологоувалистый в южной части и слабоволнистый равнинный в северной части. Высотные отметки колеблются от 200 до 250 м, увеличиваясь в юго-восточной части до 350 м. В целом, территория травяных лесов представляет собой равнину, наклоненную к северу с приподнятой юго-восточной частью.
Красноярская лесостепь занимает относительно узкую полосу по левому берегу р. Енисея и в отличие от концентрических котловин Средней Сибири (Назаровской и Чулымо – Енисейской) представляет собой полузамкнутую впадину, ограниченную с востока Енисейским кряжем, с юга – отрогами Восточных Саян и юго-запада – Кемчугским нагорьем. На севере и северо-западе территория лесостепи замыкается необозримыми таежными пространствами Западно – Сибирской низменности. По характеру рельефа Красноярская лесостепь представляет собой пологоувалистую, местами крупноувалистую равнину. Наибольшие высотные отметки отмечаются в юго-восточной предгорной части – 340-370 м. В направлении с юга на север и с запада на восток, а также от периферии к центру высотные отметки понижаются, наиболее резко – в южной части лесостепи (до 100-250 м). Основными геоморфологическими элементами Красноярской лесостепи являются речные долины р. Енисей и его притоков (Кача, Бузим, Нижняя и Верхняя Подъемная). Наиболее характерной особенностью речных долин является их асимметричность и наличие многочисленных террас, число которых окончательно не выяснено и достигает по современным данным одиннадцати [Сергеев, 1971]. Из особенностей мезо- и микрорельефа Красноярской лесостепи следует отметить бугристость, которая обусловила сильную комплексность почвенно-растительного покрова территории.
Ачинско – Боготольская лесостепь на западе уходит в пределы Кемеровской области, на юге ограничена хребтом Арга, на востоке Кемчугским нагорьем. В северо-восточной части орографическая граница отсутствует, и лесостепь постепенно переходит в зону травяных лесов. Рельеф Ачинско – Боготольской лесостепи представляет собой полого увалистую равнину, наклоненную к северу и северо-западу. Высотные отметки на основной части территории колеблются в пределах 200-300 м, уменьшаясь к северу до 180 м и повышаясь на междуречьях р. Чулыма и Большого Улуя, Большого Улуя и Кемчуга до 400 м [Топтыгин и др., 2002]. Плоские и широкие междуречья имеют заметно выраженную асимметричность – правые стороны короткие и крутые, левые – пологие и длинные [Кириллов, 1970]. Приподнятые правобережные части долин рек вносят некоторое разнообразие в равнинный рельеф Ачинско – Боготольской лесостепи [Лиханов, 1964]. Повсеместно выражен микрорельеф в виде неглубоких округлых понижений, которые обычно избыточно увлажнены и являются причиной комплексности почвенного и растительного покрова.
Химические и физико-химические свойства почв
Математическая обработка проводилась пятью последовательными блоками.
1. Расчет статистических параметров временного ряда для характеристики среднего уровня ряда, его динамичности во времени (средняя арифметическая - X, стандартное отклонение - S, предельные значения - min max, коэффициент вариации) [Дмитриев, 2009].
2. Расчет статистических показателей изменения уровней временного ряда для оценки скорости, интенсивности и направленности основной тенденции развития изучаемого явления во времени (среднегодовой абсолютный прирост (абсолютное изменение) - A, среднегодовой темп прироста - Тпр ) [Афанасьев, Юзбашев, 2001].
На основе оценок среднегодового абсолютного прироста (абсолютного изменения) производили расчеты годовых потерь запасов гумуса в пахотном слое конкретной почвы. Годовые потери запасов гумуса на единицу площади почвы рассчитывали по формуле: m = A d h, где m - годовые потери запасов гумуса, т/га; A - среднегодовой абсолютный прирост (абсолютное изменение) содержания гумуса, %; d - плотность почвенного горизонта, г/см3; h - мощность горизонта, см.
3. Проверка существенности (значимости) трендовой составляющей динамического ряда с использованием автокорреляционной функции. Нахождение зависимости в уровнях ряда является задачей разбиения исходного ряда на две составляющие: детерминированную функцию (тренд) и чисто случайную составляющую, представляющую собой «белый шум» или гауссовский ряд с независимыми приращениями [Тюрин, Макаров, 2003; Пузаченко, 2004]. Проверка значимости трендовой составляющей динамического ряда основывалась на гипотезе о временном ряде, представляющем собой реализацию «белого шума». Гипотеза принималась, если значение коэффициента автокорреляции не выходило за пределы доверительных интервалов вокруг нулевого значения коэффициента автокорреляции при заданном уровне значимости (P = 0,05). Значимость коэффициентов автокорреляции проверялась на основе статистического критерия Льюнга-Бокса или Q-статистики. При расчетном уровне значимости (Р (Q1,2,3)) меньше заданного уровня Р (Q0,05), гипотезу о равенстве коэффициентов автокорреляции нулю отвергали с доверительной вероятностью 95 % и, признавали существенность трендовой составляющей временного ряда, т.е. существенность количественных изменений уровней динамического ряда во времени (среднегодовой абсолютный прирост, среднегодовой темп прироста). При расчетном уровне значимости (Р (Q1,2,3)) больше заданного уровня Р (Q0,05), гипотезу о равенстве коэффициентов автокорреляции нулю принимали, и отвергали существенность трендовой составляющей временного ряда.
4. Аналитическое выравнивание (аппроксимация) временного ряда с помощью математической функции (уравнения регрессии) и оценка ее значимости. В почвенно-агрохимических исследованиях исключительно редко встречаются временные ряды, характеристики которых соответствуют признакам эталонных математических функций. Это обусловлено значительным числом факторов, влияющих на уровни ряда и тенденцию их изменения во времени [Куприенко и др., 2009]. В данной диссертационной работе для подбора альтернативной модели использовали численный критерий - максимальный коэффициент детерминации (аппроксимации) R2. Предпочтение отдавали регрессионной модели с коэффициентом детерминации максимально приближенном к 100 %. Регрессионный анализ основывается на предпосылке независимости отдельных наблюдений одной и той же переменной. Однако для временных рядов характерна взаимная зависимость уровней ряда во времени (автокорреляция). Она приводит к искажению средних квадратических ошибок коэффициентов регрессии, что затрудняет построение доверительных интервалов и оценку их значимости [Садовникова, Шмойлова, 2001; Тюрин, Макаров, 2003]. В связи с этим, альтернативная математическая функция считалась адекватно подобранной реальной тенденции при значимости параметров модели, уравнения регрессии в целом и не значимости коэффициента автокорреляции, рассчитанного в отклонениях (остатках) уравнения регрессии.
Оценка статистической достоверности параметров уравнения регрессии производилась с использованием t - критерия Стьюдента или t - статистики. Параметры признавались статистически значимыми, если Р (tнабл) Р (t0,05). F - критерий Фишера применяли для оценки надежности уравнения регрессии в целом. При условии Р (Fнабл) Р (F0,05) делали вывод о статистической значимости математической функции, и следовательно, коэффициента детерминации.
Важным элементом оценки качества выбранной модели является анализ автокорреляции в остатках, т.е. в отклонениях фактических значений временного ряда от рассчитанных по уравнению тренда [Садовникова, Шмойлова, 2001; Тюрин, Макаров, 2003; Пузаченко, 2004; Куприенко и др., 2009]. При значимой аппроксимации временного ряда случайные составляющие (отклонения от тренда) в своей последовательности представляли «белый шум», т.е. значение коэффициента автокорреляции находилось в пределах доверительных интервалов для нулевых значений автокорреляционной функции ((Р (Qнабл)) Р (Q0,05)).
5. Долгосрочное прогнозирование на основе экстраполяции тренда временного ряда. Математическую функцию признавали моделью и использовали в целях прогнозирования при условии ее значимости по критерию Стьюдента (t), Фишера (F) и отсутствии автокорреляции в отклонениях (остатках) уравнения регрессии при максимально приближенном к 100 % коэффициенте детерминации. Прогнозирование на основе экстраполяции тренда временного ряда позволяет получить точечное значение прогноза. Точечный прогноз есть оценка прогнозируемого показателя в точке (в конкретном году) по уравнению, описывающему тренд показателя. Точечная оценка рассчитывалась путем подстановки номера года t, на который рассчитывается прогноз, в уравнение тренда и являлась средней оценкой для прогнозируемого интервала времени. Однако, рассматривая временный ряд как выборку из некоторой генеральной совокупности, сложно предположить совпадение прогнозных точечных оценок с эмпирическими значениями признака. В связи с этим, в данной работе определялись интервалы прогноза с доверительной вероятностью 95 % путем построения интервального прогноза [Садовникова, Шмойлова, 2001; Куприенко и др., 2009].
Изменение физико-химических свойств почв
Основным индикатором восстановления профиля серых лесных почв является процесс разуплотнения и переоструктуривания почвенной массы бывшего пахотного горизонта за счет обособления дернового горизонта, густо пронизанного корнями трав в верхней части пахотного. В наших исследованиях, о формировании дернового горизонта в период 1996-2009 гг. и его распашке в 2010 году, свидетельствует обилие тонких корней в гумусово-аккумулятивных горизонтах до глубины 47 см. Под воздействием травянистой растительности структурное состояние серых лесных почв залежей улучшается. Согласно исследованиям Н.А. Караваевой [2008], на залежи под первичными сукцессиями лугов плотность пахотного горизонта восстанавливается до равновесных значений в течение первых нескольких лет, в подпахотном горизонте - медленнее, в течение 5-10 лет. По данным автора, за период около 10 лет формируется комковатая, достаточно прочная структура. Действительно, за 14-летний период на серых почвах залежей под разнотравно-злаковой растительностью сформировались и сохранились агрегаты агрономически ценной зернисто-комковатой и ореховато-мелкозернистой формы.
В ряде случаев результаты агропедогенеза закрепляются в профиле почвы, функционирующей в естественной среде [Лебедева и др., 2005; Черкашина, Голубцов, Силаев, 2015]. По данным Л.Л. Гольевой и Э.П. Зазовской [2008], морфологический облик агрогенно-измененной почвы специфичен и легко определяется спустя относительно длительное время (п -101 - п 102 лет). Сохранность агрогенных горизонтов, по их мнению, прямо зависит от мощности. Чем мощнее преобразованный горизонт - тем дольше сохраняются его макроморфологические признаки в почвенном профиле. С учетом вышесказанного, уплотненная прослойка - «плужная подошва», отмеченная в нижней части пахотного горизонта, на наш взгляд, отчетливо сохранила признаки агрогенной стадии восстановления за 17-летний период залежно-экстенсивного земледелия. Это подтверждается заметным переходом по плотности из пахотного горизонта (Апах) в гумусово-элювиальный горизонт (А1А2) в профиле серой лесной почвы в 1996 году. С учетом вышеизложенного, можно констатировать, что агрогенные воздействия на почву в большей степени проявились в изменении самой верхней части профиля - пахотного и подпахотного горизонтов. Минимальные обработки привели к уменьшению мощности пахотного горизонта с обособлением 0-14 и 0-20 см толщи по уплотненной прослойке «плужной подошве» в черноземах выщелоченных Красноярской и Назаровской (РУ-9) лесостепи соответственно. Ежегодные традиционные обработки способствовали формированию «плужной подошвы» и подпахиванию нижней части гумусового слоя (АВ), морфологически выражающемся в образовании прослойки черно-бурого цвета на глубине 27-30 см в черноземах выщелоченных Ачинско-Боготольской и Чулымо-Енисейской лесостепи соответственно. «Плужная подошва» серых лесных почв в условиях 17-летнего залежно-экстенсивного земледелия сохранила признаки агрогенной стадии постагрогенного восстановления.
Механические воздействия (агротурбации) и сельскохозяйственное окультуривание способствуют трансформации морфологических структур на горизонтном и агрегатном уровне структурной организации почв. При этом агрегаты сохраняют внутрипедную структуру, так как главный фактор их устойчивости к механическому воздействию - гранулометрический состав -сравнительно устойчив [Кураченко, 2013]. Интенсификация земледелия (применение органических и минеральных удобрений, минимализация обработок) оказывает дополнительное воздействие на трансформацию почвенной структуры. Вследствие чего, в нижней части пахотных и подпахотных горизонтов черноземов выщелоченных Назаровской лесостепи отмечается более высокая сила внутрипедных связей (адгезивная способность) при увеличении числа межчастичных контактов, по сравнению с верхней частью пахотных горизонтов. 5.2 Временная динамика содержания и запасов гумуса
Одним из важнейших интегральных показателей, определяющим уровень потенциального и эффективного плодородия почвы при агрогенном воздействии, является содержание и запасы органического вещества - гумуса. Содержание и запасы гумуса рассматриваются с точки зрения экологической устойчивости почв как компонента биосферы [Орлов 1990, Фокин, 1994; Кирюшин 1996; Черников и др., 2001].
Сельскохозяйственная деятельность человека нарушает естественный ход гумусообразования, изменяет количество и качество органических остатков, интенсивность и направление процессов гумификации, особенно в верхнем, пахотном горизонте [Минеев, Шевцова, 1978; Шарков, 1986; Крупкин, 1989; Лазарев, 1997; Чендев, Авраменко, Мащенко, 1999; Струков, Комарова, 2000; Guo, Gifford, 2002; Глазовская, 2003]. Гумусовые соединения - диссипативные структуры, для существования которых необходим постоянный обмен вещества и энергии независимо от содержания гумуса в почве. Нарушение баланса между разложением и поступлением свежего органического материала приводит к минерализации собственно гумусовых компонентов, в частности подвижной части гумуса (легко переходящей в растворимое состояние). При недостатке подвижного компонента развивается общая дегумификация почв с разложением стабильных фракций гумуса, устойчивых, прочно связанных с минеральной частью почвы [Гамзиков, Кулагина, 1992; Орлов и др., 2002, Драган, 2008; Уваров, 2010]. Поэтому подвижный гумус является периферической «защитой» стабильной ядерной части гумуса и первоочередным откликом почвы на любые нарушения экологической обстановки [Тейт, 1991; Чупрова и др., 2000; Милащенко и др., 2000; Орлов, Трофимов, Бирюкова и др., 2002].
Статистические параметры среднего уровня временных рядов гумуса позволили охарактеризовать его содержание по природно-климатическим зонам Средней Сибири и оценить изменчивость за 15-летний период. Среднестатистическая гумусированность черноземов выщелоченных реперных участков № 4 и № 9 Назаровской лесостепи и Чулымо -Енисейской лесостепи оценивается как высокая (8,5 %, 9,6 % и 9,9 % соответственно) с незначительным варьированием этого показателя во времени (V=3-10 %). Черноземы выщелоченные Красноярской лесостепи и Ачинско – Боготольской лесостепи менее гумусированы и характеризуются повышенным содержанием гумуса (7,0-7,2 %). Гумусное состояние данных почв отличается устойчивостью во времени (V=7 %). В серых лесных почвах зоны травяных лесов установлена средняя гумусированность (4,5 %) с незначительной изменчивостью этого признака (V=7 %). Приведенные данные согласуются с результатами исследований почв Средней Сибири [Танделов, 1998; Крупкин, 2002; Концепция сохранения…, 2005; Сорокина, 2008] и позволяют считать содержание гумуса по параметрам изменчивости как медленно изменяющееся во времени образование (V=3-10 %) (табл. 11, рис. 5). Это определяется устойчивостью стабильной фракции гумуса. Она непосредственно связана с процессами почвообразования и характеризует диагностические признаки почв, которые длительно формируются и сохраняются в вековых циклах [Кирюшин и др., 1993; Черников и др., 2001;