Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Гумусное состояние почв зоны полупустынь 8
1.1 Формирование и классификация почв аридной зоны 8
1.2 К вопросу изученности гумусного состояния почв аридных территорий 17
Глава 2 Объекты и методы исследования 37
2.1. Географическое положение и рельеф Астраханской области 37
2.2. Климат Астраханской области 42
2.3. Гидрология 47
2.4. Почвы Астраханской области 49
2.5. Объекты исследования 56
Глава 3 Гумусное состояние почв экологической катены бугра Бэра и межбугрового понижения 62
3.1. Гумусное состояние некоторых почв Астраханской области 62
3.1.1 Органическое вещество бурых полупустынных почв 65
3.1.2 Органическое вещество солончака переходного от полупустынного к луговому 68
3.1.3 Органическое вещество солончака лугового гидроморфного 71
3.1.4 Органическое вещество торфяно-болотной глеевой засоленной почвы 74
3.1.5 Органическое вещество солончака лугового оглееного 79
Глава 4 Влияние экологических факторов на гумусообразование зональных и интразональных почв Астраханской области 86
Заключение 99
Выводы 103
Список используемой литературы 105
Приложение 121
- К вопросу изученности гумусного состояния почв аридных территорий
- Климат Астраханской области
- Органическое вещество бурых полупустынных почв
- Влияние экологических факторов на гумусообразование зональных и интразональных почв Астраханской области
Введение к работе
Актуальность темы исследования
Изучение качества и объективная оценка почв важнейший этап в установлении уровня их плодородия и практического использования. В связи с принятием Закона о земле, одним из главных показателей оценки состояния почвы становится содержание в ней гумуса.
При формирование гумусовых горизонтов почв происходит образование специфических почвенных органических соединений (гумусовых веществ). Гумус определяет гидрофобность и гидрофильность почв, сохранение в почвах необходимого запаса азота, уровень содержания питательных элементов в почвах. Процесс гумусообразования - один из центральных в наземных экосистемах, и его экологическая роль очень высока. Гумус влияет на жизнь биоты в почве, на экологические функции почвы, на поддерживание равновесного состояния в почвах, препятствуя их деградации.
Органическое вещество в большой степени определяет биологические, химические и физические свойства почв и, в конечном счете, является интегральным показателем плодородия почвы.
Работами И. В. Тюрина, М.М. Кононовой и других исследователей установлено, что типы и подтипы почв различаются не только по запасам гумуса, но и по его качественному составу и по формам состояния главных групп гумусовых веществ, и что роль гумуса в плодородии почв различна.
Д. С. Орловым создана теория зависимости содержания и состава гумуса от продолжительности биологически активного периода
В области исследований гумусного состояния почв аридной зоны накоплен значительный материал. Однако данные по гумусному состоянию почв с учетом экологических особенностей Астраханской области практически отсутствуют.
Цель работы
Цель настоящей работы - изучение общего содержания углерода гумуса, его фракционного состава, общего азота зональных и интразональных почв Астраханской области.
Задачи: систематизация и обобщение литературных данных по гумусному состоянию почв аридной зоны; изучение природы органического вещества и гумуса зональных и интразональных почв Астраханской области; определение влияние растительных сообществ, гидрологического режима и особенностей мезорельефа на динамику и природу органического вещества почв.
Научная новизна
Установлено, что в бурых полупустынных почвах на буграх Бэра состав гумуса фульватный, в понижениях около бугра -фульватно - гуматный. В пределах одних климатических условий добавочное увлажнение увеличивает продолжительность биологического периода, способствует накоплению гумуса и гуминовых кислот.
В пределах проективного покрытия растительного покрова до 50% содержание гумуса остается постоянным. Увеличение покрытия свыше 60% приводит к заметному возрастанию содержания гумуса в почвах.
Установлено, что закрепленный на почвенных частицах гумус имеет тот же ИК-спектр, что препараты гумина и гуминовых кислот.
Практическая значимость
Установлено распределение гумуса по катене от вершины бугра Бэра до межбугрового понижения.
Разработан метод определения степени закрепления гумуса почвой.
Методика исследований
При выполнении экспериментальной части работы была использована большая группа методов.
Для изучения химических свойств использовали методы: определение общего углерода гумуса - по Тюрину, качественный состав гумуса определяли по ускоренному пирофосфатному методу Кононовой -Бельчиковой, азот - по Бондоренко и Харитонову, с использованием ионоселективного электрода. Оптическую плотность гумусовых веществ определяли на спектрофотометре Unico - 1200. ИК спектры записаны на спектрофотометре ИКС-29 в интервале 4000-1200 см-1 в суспензии вазелинового масла.
Апробация
Материалы диссертации доложены и обсуждены на международных и российских научных конференциях: Всероссийская научная конференция VIII Докучаевские молодежные чтения «Органическое вещество почв наземных экосистем», (Санкт-Петербург, 2005), Международная научная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов-2005», (Москва, 2005), VIII Международной научной конференции «Эколого - биологические проблемы бассейна Каспийского моря», (Астрахань, 2005), Всероссийская научная конференция IX докучаевские молодежные чтения «Почвы России. Проблемы и решения», (Санкт-Петербург, 2006).
Публикации
По теме диссертации опубликовано 7 работ. Структура и объем работы
Диссертационная работа изложена на 120 страницах и состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы из 121 наименования (114 российских и 7 зарубежных авторов) и приложения, включает 11 рисунков и 12 таблиц.
К вопросу изученности гумусного состояния почв аридных территорий
Одним из важнейших оценочных показателей плодородия почв является содержание органического вещества (гумуса). Высокая гумусированность почв обеспечивает и создает благоприятный водный и воздушный режимы. При минерализации гумуса освобождаются и используются растениями необходимые питательные вещества, приземный слой обогащается углекислотой, без которой не могут нормально протекать процессы фотосинтеза. Изучение почв аридных регионов непосредственно связано с освоением земель для нужд сельского хозяйства. Плодородие почвы является важнейшим интегральным показателем ее режимов, обусловленном в значительной степени параметрами и свойствами гумуса. В основе устойчивого функционирования природных экосистем лежат процессы продуцирования, трансформации и транспорта органических веществ. Они или непосредственно формируют систему биохимических циклов всех элементов в экосистемах, или косвенно влияют на нее (Ковда, 1985; Добровольский, 198 6; Орлов, 1990; Фокин, 1994).
Для формирования экологически оптимальной обстановки в агроэкосистеме необходима оценка изменения отдельных составляющих гумуса, различающихся по запасам, структурному и химическому составам и степени минерализуемости. Органическому веществу принадлежит ведущая роль в формировании плодородия почвы и обеспечении устойчивой продуктивности полевых культур при неблагоприятных погодных условиях. При этом важным является поиск эффективных путей регулирования гумусного режима и обеспечение максимальной отдачи вводимой в агроценоз антропогенной энергии (Багаутдинов, 1997).
Вопросами гумусообразования и качественных особенностей гумуса различных почвенно климатических зон занимались многие ученые почти всех стран мира. В нашей стране детальные исследования гумуса проводили В.В. Докучаев, П.А. Костычев, В.Р. Вильяме. Наиболее обширные исследования почвенного органического вещества в 30 60 гг XX века принадлежат И.В. Тюрину, Л.Н. Александровой, В.В. Пономаревой, М.М. Кононовой, А.Н. Розанову, Н.П. Бельчиковой. В монографиях И.В. Тюрина и М.М. Кононовой приводится большой материал о природе и качественном составе гумуса многих почвенных типов, обобщен имеющийся фактический материал как отечественных, так и зарубежных исследований об органическом веществе почв.
Устойчивое землепользование связано с поиском оптимального соответствия между земельными ресурсами и режимом землепользования. Во многих развивающихся странах создание информационных систем ограничивается нехваткой базовых данных и информации о почвах, растительности. В последние годы работы по составлению карт почвенных, растительных, земельных ресурсов оказались заброшенными. Имеются многочисленные работы по гумусному состоянию почв аридных регионов. Приведем выдержки некоторых из них.
В археологических экспедициях на территории Ергеней, Кумо-Манычской низменности и Прикаспия изучали голоценовые палеопочвы. сохранившиеся от древних эпох почвообразования. Возраст голоценовых палеопочв авторы определили как сравнительно молодой (3-5 тыс. лет до н.э.). Почвы сформировали на лёссовидных суглинках. Для почвообразовательных процессов фоновых светло-каштановых солонцовых почв в северной части Кумо-Манычской впадины характерно ослабленное образование и накопление гумуса, усиленное проявление солонцеватости, миграция карбонатов в почвенном профиле, образование карбонатного горизонта, засоление почв и почвообразующих пород легкорастворимыми солями. Комплексы почв представлены зональными светло-каштановыми солонцеватыми среднесуглинистыми почвами, солонцами, каштановыми почвами. Приведены сравнения палеопочв с современными по диагностическим признакам (Цуцкин, 2001) .
В I960 - 1973 годах были проведены комплексные исследования пустынных почв равнинного Туркменистана материалы которых изложены в монографии (Санин, 1977). В данной работе рассматриваются количественные материалы о накоплении органического вещества, качественная характеристика гумуса, о влиянии различных пустынных растений на процессы гумусообразования (на примере песчаной пустынной почвы), а также о влиянии различной культуры орошаемого земледелия на гумусонакопление (на примере такыровидной почвы).
Анализируя фактический материал, автор отмечает, что все типы пустынных почв Туркмении чрезвычайно бедны гумусом и, как следствие этого, азотом. Предельно низким содержанием органического вещества характеризуются песчаные пустынные почвы. Только в отдельных случаях содержание органического вещества увеличивается до 0,5%, и то лишь в верхнем горизонте (до глубины 8-10 см) . К низу по профилю валовое содержание органического вещества резко падает, и находится примерно на уровне 0,10-0,15%. Подобная картина характерна для других районов Туркмении, а в почвах Центральных Каракумов содержание органического вещества еще ниже.
Климат Астраханской области
Климат Астраханской области умеренный, резко континентальный - с высокими температурами летом, низкими - зимой, большими годовыми и летними суточными амплитудами температуры воздуха, малым количеством осадков и большой испаряемостью. Рельеф и географическое положение Астраханской области определяют и однообразие её климата. Для него характерны сухость воздуха, большие перепады между средними значениями летней и зимней температуры, недостаток осадков. Незащищенность территории позволяет беспрепятственно проникать на Нижнюю Волгу массам воздуха как арктического, так и тропического происхождения, за исключением морского тропического воздуха, который из-за Кавказских гор никогда не проникает в Астраханскую область. Орографические условия Нижнего Поволжья не могут влиять на перенос воздушных масс, поэтому главным фактором, обуславливающим режим осадков Астраханской области, является циркуляция воздушных масс. Осадки в основном вызываются прохождением циклонических возмущений (Жилкин, 2003)
В дельте Волги климат формируется под влиянием азиатского антициклона. Особенно это проявляется в холодную половину года. Равнинность рельефа не изменяет общей циркуляции входящих потоков, а большое количество водоемов создает особый мезоклимат. Продолжительность солнечного сияния - до 2400 ч/год. Суммарная солнечная радиация достигает 118 ккал/см2. Сумма температур воздуха выше 10 С составляет 3500— 3600. Продолжительность теплого периода более 250 дней. В среднем за год выпадает 167 мм осадков, в основном в виде летних ливней. Бывают ливни, дающие до 39 мм осадков в сутки, но, выпадая на прогретую солнцем почву, они почти целиком испаряются и поэтому их роль в увлажнении почвы незначительна. Вследствие высокой летней температуры, большого количества солнечных дней велико испарение с водной поверхности. Общая годовая испаряемость составляет до 1177 мм. Все это определяет сухость воздуха, почвы и частоту засух.
Недостаток влаги и высокая сухость воздуха связанны с большой удалённостью территории области от Атлантического, Тихого и Индийского океана. Кроме того, между территорией Астраханской области и океанами расположены горные массивы. Они задерживают осадки, что вызывает ещё больший недостаток влаги. Влажность воздуха зависит, прежде всего, от количества водяного пара, поступающего в атмосферу путем испарения с земной поверхности. В то же время, влажность воздуха зависит от атмосферной циркуляции и какие воздушные массы: сухие или влажные, приносят воздушные течения. Ветровой режим характеризуется в основном ветрами умеренной силы. В течение года преобладают ветры восточного направления с повторяемостью до 31,8%. Значительную повторяемость (до 14,8%) имеют также северо-восточные и северо-западные ветры. Наиболее часты ветры со скоростью 4-8 м/с (до 45,5%) и 1 - 3 м/с (31,5%). Повторяемость штилей в году до 18,2%. Штормовые ветры со скоростью 14 м/с в среднем в году составляют 5,1%, чаще бывают зимой (до 8,5%). Наибольшей силой обладают ветры западных направлений, скорость их достигает 34 м/с.
Сильные теплые восточные ветры - суховеи приносят из пустынь Средней Азии песок и пыль. Эти ветры преобладают в летнее время. Зимой преобладают воздушные массы, поступающие из северных широт. Они приносит сухие сильные морозы зимой, а летом понижают температуру. Западные ветры приносят облачные осадки. Средняя годовая температура воздуха с юга на север понижается от 10С до 8С. Самый холодный месяц - январь. Средняя температура воздуха до минус 5 - 9С (Таблица 2.2). Самая высокая средняя температура 24 - 25 С отмечается в июле. Амплитуда самого холодного и самого теплого месяцев составляет 29 - 34 С, что свидетельствует о высокой континентальности климата (Ушаков, 1996) .
Зима в дельте наступает в начале декабря и продолжается до второй половины марта. В январе и феврале среднемесячная температура воздуха составляет минус 4,1С, в отдельные годы она понижается до минус 13 или повышается до 1 1,5С. Минимальная температура воздуха нередко составляет минус 4 0 35 С. Обычны для зимы и оттепели. Преобладают преимущественно холодные восточные ветры. Снежный покров бывает неустойчивым, временами он сходит совсем. Чем тоньше снежный покров зимой, тем сильнее промерзание почвы при прочих равных условиях. Снежный покров охлаждает воздух. Над ним образуются приземные радиационные инверсии температуры. Зима считается с устойчивым снежным покровом, если снежный покров залегал более одного месяца непрерывно или с перерывами, но не более двух дней.
Органическое вещество бурых полупустынных почв
Почвенный покров бугров Бэра характеризуются бурыми полупустынными почвами. Содержание гумуса в верхних горизонтах варьирует в пределах 0,9 - 1,16%. В качестве примера приведем основные характеристики одного из разрезов вершины бугра Бэра Большой Барфон. Растительность: доминантными видами в растительном сообществе данного местообитания являются Anabasis salsa, Eremopyrum triticeum. Общее проективное покрытие площадки 35 %, средняя высота травостоя 10 см. Флористический состав исследованного участка представлен: Anabasis salsa (С.А.Меу.) Benth. ex Volkens. Анабазис солончаковый. На бэровских буграх. Хамефит, полукустарник. Лекарственное, ядовитое. Camphorosma monspeliaca L. - Камфоросма монпелийская. На бэровских буграх. Хамефит, кустарничек. Кормовое. Eremopyrum orientale (L.) Jaub. & Spach. - Мортук восточный. На бэровских буграх, сухих лугах, гривах. Терофит, однолетник. Кормовое. Eremopyrum triticeum (Gaertn.) Nevski. - Мортук пшеничный. На бэровских буграх, сухих лугах, гривах. Терофит, однолетник. Кормовое. Meniocus linifolius (Steph.) DC. ex Willd. Плоскоплодник льнолистный. По мусорным местам, на глинистых склонах, на бэровских буграх.
Как видно из рисунка 3.1 содержание органического углерода закономерно уменьшается по профилю. По данным химического анализа эти почвы мало обогащены азотом - отношение C:N в верхних горизонтах составляет 11,6 - 10,73. Анализ группового состава гумуса (таблица 3.1) поверхностных горизонтов показал, что наряду с изменениями общего содержания гумуса, изменяется и абсолютное содержание гуминовых кислот. В составе гумуса фульвокислоты преобладают над гуминовыми кислотами в гумусных горизонтах вершины бугра. Соотношение Сгк:Сфк колеблется в пределах 0,5 - 0,6 что отражает гуматно - фульватный тип гумуса. Количество органических веществ, растворимых в минеральных кислотах, незначительно увеличивается в верхних горизонтах. Характерно преобладание свободных и связанных с подвижными формами полуторных оксидов гуминовых кислот в верхнем горизонте. Ниже по профилю разреза картина меняется и наблюдается преобладание гуминовых кислот, предположительно связанных с кальцием.
Небольшой объем растительных остатков, подвергающихся гумификации, минерализация, развеивание и смыв наземных остатков в засушливой обстановке не благоприятствует накоплению гумуса. Высокое содержание негидролизуемого остатка, по сравнению с общим содержанием органических веществ, свидетельствует о том, что гумусовые кислоты практически нацело соединены с минеральной частью почвы.
Изменение Коэффициента ЦВеТНОСТИ Е4б5/Ебб5 в верхних горизонтах от 4,04 до 5,1 говорит о увеличении в препаратах гуминовых кислот боковых радикалов и слабой конденсированности ароматического ядра, что свидетельствует о близости их к фульвокислотам.
Содержание гумуса в верхних горизонтах солончака переходного от полупустынного к луговому варьирует в пределах 1,2 - 1,4%. В качестве примера приведем основные характеристики одного из разрезов участка данного типа почв. Растительность: доминантным видом в растительном сообществе данного местообитания является Eremopyrum triticeum. Общее проективное покрытие площадки 10 %, средняя высота травостоя 5 см. Флористический состав исследованного участка представлен: Aeluropus pungens (Bieb.) C.Koch. - Прибрежница растопыренная (колючая). На засоленных почвах. Хамефит, полукустарничек. Кормовое. Amaranthus albus L. - Щирица белая. На полях, по сорным местам, по склонам бэровских бугров. Терофит, однолетник. Кормовое, сорное. Anabasis aphylla L. - Анабазис безлистный. На бэровских буграх. Хамефит, полукустарник. Лекарственное, ядовитое. Bassia hyssopifolia (Pall.) O.Kuntze - Бассия иссополистная. Склоны бэровских бугров, солончаки. Терофит, однолетник. Кормовое. Eremopyrum orientale (L.) Jaub. & Spach. - Мортук восточный. На бэровских буграх, сухих лугах, гривах. Терофит, однолетник. Кормовое. Eremopyrum triticeum (Gaertn.) Nevski. - Мортук пшеничный. На бэровских буграх, сухих лугах, гривах. Терофит, однолетник. Кормовое. Petrosimonia brachiata (Pall.) Bunge. Петросимония супротиволистная. Склоны и шлейфы бэровских бугров. Терофит, однолетник. Кормовое. Petrosimonia oppositifolia (Pall.) Litv.-Петросимония толстолистная. Склоны и шлейфы бэровских бугров. Терофит, однолетник.
Влияние экологических факторов на гумусообразование зональных и интразональных почв Астраханской области
Исследования зональных и интразональных почв Астраханской области показали, что на почвообразование рассмотренных нами почв влияют изменения следующих факторов: положение в рельефе, гидрологические условия, почвообразующие породы и растительность.
Зональными бурыми полупустынными почвами представлены вершины бугров Бэра, в околобугровом пространстве имеют место солончак луговой (гидроморфный и оглеенный) и торфяно-болотные почвы. Все почвы исследуемого ландшафта различаются морфологически.
Заметное увеличение количества общего углерода, а следовательно и гумуса, наблюдается для проективного покрытия более 4 0%. Увеличение содержания общего азота происходит для проективного покрытия 75%, а углерода - 60%. При этом в промежутке от 60% до 75% проективное покрытие не влияет на содержание гумуса.
Корреляционный анализ между содержанием Собщ и Ыобщ и проективным покрытием показал положительную зависимость (коэффициент корреляции 0,84 и 0,8 6 соответственно) от проективного покрытия.
Вниз по склону бугров происходит постепенное изменение водного режима в сторону увеличения гидроморфизма, что можно считать одной из причин изменения типа почв. При смене гидрологического режима происходит и смена растительных сообществ, их флористического состава и проективного покрытия и, как следствие, общего содержания и типа гумуса.
Была проведена оценка зависимости содержания гумуса от количества и вида растений на исследуемых участках. Данные по видовому составу растений, типичному для территории, увязали с исследуемыми типами почв (таблица 4.1).
Выявилась четкая приуроченность ряда видов к отдельным почвам, избирательность одних видов, и некоторая диффузивность по распространению других. Для исследуемого объекта характерна особенность накопления в верхних горизонтах гумуса, зависящая от количества видов и видового состава растительности, произрастающей на выбранной для исследования территории.
Виды растительности Бурая полупустынная Солончак переходный отбуройполупустыннойк солончакулуговомугидр оморфному Солончаклуговойгидроморфный Торфяно-глееваяболотнаязасоленная Луовой солончак, оглееный Органическое вещество бурых полупустынных почв формируется в условиях пониженного увлажнения. Чаще всего за счет атмосферных осадков, количество которых, как указывалось выше, за год не превышает 200 мм. Недостаточное увлажнение и длительность периода высоких температур угнетают микробиологические процессы, связанные с новообразованием и разложением гумуса. В результате из-за депрессии деятельности микроорганизмов органические остатки не разлагаются, или разлагаются слабо, что влечет за собой уменьшение количества гумуса в почве.
Количество растительного опада, из которого непосредственно формируется гумус бурых полупустынных почв, тесно связан как с видовым составом растительного сообщества, произрастающего на данном участке, так и с его особенностями, такими как общее проективное покрытие площадки и средняя высота травостоя. Эти величины на выбранном нами участке (ПР В-10) составили соответственно 35% и 10 см. Мощность гумусного горизонта составляет б см. Данные показатели свидетельствуют о небольшом поступлении растительных остатков в почву, тем самым влияя на мощность гумусного горизонта рассматриваемого типа почв.
Как было указано выше, данный тип почвы характерен для вершин бугров Бэра. Эта особенность мезорельефа может оказывать влияние на процессы миграции растительных остатков, в частности увеличивается интенсивность их смыва и развеивания ветрами.
Рассмотренные нами интразональные почвы формируются в условиях изменения водного режима. В результате усиливается гидроморфизм, что влечет за собой изменение подтипа почв. Рассмотрим каждый вид отдельно.
Солончак луговой гидроморфный формируется в условиях более сильного увлажнения относительно бурых полупустынных почв. Анализ флористического состава показал, что растительное сообщество, формирующее основную массу растительного опада, принадлежит к лугам среднего уровня, то есть затопление данных территорий паводковыми водами происходит ежегодно. Руководствуясь этим, можно предположить, что разложение растительных остатков идет с большей степенью интенсивности, чем в бурых полупустынных почвах. Иначе говоря происходит не только увеличение количества гумуса в почве, но и смена его типа от гуматно-фульватного к фульватно-гуматному. Данную закономерность можно объяснить влиянием экзоферментов микроорганизмов на синтез гумусовых веществ.
Одним из факторов гумусонакопления на исследуемой территории, как указывалось выше, является количества растительных остатков, поступающих в почву. Из-за смены гидрологического режима происходит и смена флористического состава растительного сообщества рассматриваемого участка. На исследуемой территории общее проективное покрытие площадки составило 70%, средняя высота травостоя 35 см. Мощность гумусного горизонта 9 см. Приведенные показатели указывают на увеличение поступления растительного опада и, как следствие, увеличение содержания гумуса.
Данную картину можно дополнить, рассмотрев особенности формирования гумусовых веществ в почвах переходных от полупустынной к солончаку луговому гидроморфному. Этот подтип почв находится как бы в промежутке между бурой полупустынной и солончаком луговым гидроморфным, являясь переходной (аномальной) точкой. Во первых, исходя из флористического состава растительных сообществ, эти почвы распространены в зоне перехода от бурой полупустынной к лугам высокого уровня, т.е. затопление данных почв, даже в годы высоких половодий практически не происходит или затапливается на короткое время.
