Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Биологические свойства почв 6
1.1. Органическое вещество почвы 8
1.2. Микробиота - живое органическое вещество почв 12
1.3. Биологическая активность почв 15
1.4. Факторы, влияющие на биологические свойства почвы 16
1.5. Особая роль микрорельефа в изменчивости свойств почв 23
Глава 2. Объекты и методы исследования 25
2.1. Схема экспериментов 26
2.2. Серые лесные почвы. Ключевой участок «Путино» 27
2.3. Чернозёмы выщелоченные и оподзоленные. Ключевой участок «Венев» 29
2.4. Черноземы обыкновенные, типичные и солонцеватые. Ключевой участок «Каменная степь» 31
2.5. Методы исследования 34
Глава 3. Роль палеокриогенного микрорельефа в изменчивости физико-химических и биологических свойств серых лесных почв. Ключевой участок «Пущино» 41
3.1. Физико-химические свойства серых лесных почв 41
3.2. Биологические свойства серых лесных почв 46
Глава 4. Роль палеокриогенного микрорельефа в изменчивости физико-химических и биологических свойств чернозёмов северной подзоны лесостепи. Ключевой участок «Венев» 52
4.1. Физико-химические свойства северных подтипов черноземов 52
4.2. Биологические свойства северных подтипов черноземов 59
Глава 5. Изменчивость физико-химических и биологических свойств черноземов на разных элементах палеокриогенного микрорельефа в условиях разного землепользования. Ключевой участок «Каменная степь». 63
5.1. Тип землепользования - пашня. Участок «Пашня» 63
5.2. Тип землепользования - косимая степь. Участок «Косимая степь-1» 75
5.3. Тип землепользования - лесополоса. Участок «Лесополоса» 87
Глава 6. Использование биологических свойств почв для изучения истории позднеплейстоценового почвообразования 99
Глава 7. Роль палеокриогенного микрорельефа в изменчивости биологических свойств почв 103
7.1. Сравнительный анализ влияния палеокриогенного микрорельефа на изменчивость биологических свойств разных типов и подтипов почв 104
7.2. Различия параметров биологических свойств чернозёмов, обусловленные палеокриогенным микрорельефом, в условиях разного землепользования 111
Выводы 118
Использованная литература 119
Приложения 132
- Факторы, влияющие на биологические свойства почвы
- Физико-химические свойства северных подтипов черноземов
- Тип землепользования - лесополоса. Участок «Лесополоса»
- Различия параметров биологических свойств чернозёмов, обусловленные палеокриогенным микрорельефом, в условиях разного землепользования
Введение к работе
Актуальность исследований. Почвы и почвенный покров имеют длительную и сложную историю развития (Роде, 1955, 1984; Ковда, 1965, 1973; Герасимов, 1969; Таргульян, 1971; Соколов, 1984 и др.). Наиболее полное понимание процессов развития и функционирования почв возможно только при всестороннем изучении пространственной изменчивости всех свойств почв, в том числе биологических. Интегральная оценка биологических свойств может служить генетическим показателем биолого-географического разнообразия почв, а также показателем их экологического состояния (Казеев и др., 2003; Звягинцев, 2005; Вальков и др., 2008).
В мировой литературе широко освещён вопрос о пространственной изменчивости биологических свойств почв, вызванной изменчивостью зональных факторов почвообразования или хозяйственной деятельностью человека (Полянская, 1995; Щеглов, 1999; Ларионова, 2001; Назаренко, 2002; Ананьева, 2003; Казеев и др., 2006; Денисова и др., 2007; Семенов и др., 2008; Колесников и др., 2008; Минкина и др., 2009; Angers et al., 1999). Менее изученными остаются вопросы, связанные с влиянием на биологические свойства реликтовых условий почвообразования.
Значительное влияние палеоэкологических условий, в частности палеокриогенного полигонально-блочного микрорельефа (далее палеокриогенного микрорельефа), на пространственную изменчивость морфологических и физико- химических свойств почв центра Восточно-Европейской равнины показано в ряде статей и монографий (Алифанов, 1980, 1991,1995; Величко и др., 1996; Алифанов и др., 2010). Однако исследований влияния палеоэкологических условий на изменчивость биологических свойств почв очень мало. В этой связи особую значимость приобретают исследования изменчивости биологических свойств почв под влиянием палеокриогенного микрорельефа, широко распространенного на территории центра Восточно-Европейской равнины.
Цель и задачи исследований. Основной целью исследований является изучение влияния палеокриогенного микрорельефа на изменчивость биологических свойств серых лесных почв и черноземов.
В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:
-
Выявление особенностей биологических свойств разных типов и подтипов почв, сформированных на разных элементах палеокриогенного микрорельефа (на блоке и в межблочье);
-
Выявление изменчивости параметров биологических свойств черноземов заказника «Каменная степь» на разных элементах палеокриогенного микрорельефа в условиях разного землепользования (пашня, косимая степь, лесополоса);
-
Выявление особенностей биологических свойств современных и погребённых почв и их связь с морфологическими и физико-химическими почвенными параметрами.
Научная новизна. Впервые проведены исследования пространственной изменчивости биологических свойств почв разных таксономических уровней, обусловленной разным положением почв в системе палеокриогенного микрорельефа. Выявлены основные отличия биологических характеристик почв, сформированных на разных элементах палеокриогенного микрорельефа: почвы, сформированные в межблочных понижениях, как правило, имеют более высокие значения показателей биологических свойств, но меньший по мощности гумусовый горизонт. При этом разница в параметрах биологических свойств почв блочных повышений и
межблочных понижений зависит от зонального типа почвообразования, степени выраженности полигонального микрорельефа и типа землепользования. Полученные данные позволили расширить представление о генезисе изученных почв.
Практическая значимость. Результаты исследований роли палеокриогенного микрорельефа в изменчивости биологических свойств почв могут быть использованы при моделировании пространственной динамики органического углерода дневных и погребённых почв, наземных экосистем в целом. Также результаты могут применяться при палеогеографических реконструкциях условий голоценового и более древнего почвообразования.
Выявленный факт мелкоконтурной изменчивости биологических свойств почв разных таксономических уровней необходимо учитывать при изучении крупномасштабной пространственной изменчивости почвенного покрова.
Предложенный комплекс показателей биологических свойств почв может быть использован при диагностике и мониторинге почв, при изучении структуры почвенного покрова, а также при восстановлении почвенных и растительных ресурсов.
Положения, выносимые на защиту:
-
-
Показатели биологических свойств почв значительно варьируют в зависимости от положения почвенного профиля в палеокриогенном микрорельефе (на блоке, и в межблочье);
-
Роль палеокриогенного микрорельефа в изменчивости биологических свойств почвенного покрова сопоставима с влиянием зональной смены условий почвообразования;
-
Максимальные различия показателей биологических свойств почв на блоках и в межблочьях на каждом ключевом участке соразмерны с зональными различиями биологических свойств почв;
-
Отличия биологических свойств почв, сформированных на разных элементах палеокриогенного микрорельефа, ослабляются при увеличении антропогенной нагрузки.
Апробация диссертационной работы. Результаты исследований были представлены на Всероссийской школе «Экология и почвы» (Пущино, 2009), V и VI Всероссийских съездах общества почвоведов (Ростов-на-Дону, 2008; Петрозаводск, 2012), ХV и XVII Международных конференциях студентов, аспирантов и молодых учёных «Ломоносов-2008, 2010» (Москва, 2008, 2010), Международных Пущинских школах-конференциях молодых учёных «Биология - Наука XXI века» (Пущино, 2008, 2009, 2010), III и IV Всероссийской научно-практической конференции «Актуальные проблемы использования и охраны природных ресурсов России» (Самара, 2011, 2012).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 9 статей, в том числе 8 в реферируемых журналах ВАК РФ.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа изложена на 147 страницах, содержит 74 рисунка, 2 таблицы и состоит из введения, 7 глав и выводов. Список литературы включает 238 наименований, в том числе 93 иностранных. Приложение содержит морфологические описания почвенных разрезов.
Факторы, влияющие на биологические свойства почвы
Биологические свойства почв определяются параметрами взаимодействия живого ОргВП (биота) и мертвого ОргВП (специфическое и не специфическое органическое вещество) и зависят от многих факторов. На БСП оказывают влияние современные экологические факторы, такие как климат и растительность, формирующие зональный тип почвы (тип почвообразования), так и унаследованные (палеоэкологические) факторы - порода и рельеф. Хозяйственное использование почвы в зависимости от интенсивности (обработка, внесение удобрений и проч.) вносит существенные коррективы в процессы почвообразования, изменяя циклы ОргВП и физико-химические свойства почвы.
Факторы, влияющие на ОргВП. Содержание фракций ОргВП, ассоциированных с активным и умеренно циклирующим пулами, большей частью зависит от систем управления, внесения питательных веществ и определяется обработкой почвы. Влияние чередования сельскохозяйственных культур на фракции углеводов и агрегационную стабильность было исследовано Д. А. Ангерсом [Angers et al., 1999]. Было установлено, что содержание общего ОВ и азота, а также агрегационная стабильность почвы возрастали в вариантах севооборотов с высокой долей клевера.
Возделывание сельскохозяйственных культур без внесения минеральных удобрений и (или) в отсутствие органики на протяжении 30 лет привело к падению содержания общего Сорг и азота, а также постепенному уменьшению активных пулов азота и углерода. В вариантах с минеральной и органоминеральной системой удобрений отмечен рост Сорг на 4 и 11% соответственно [Manna et al., 2006]. По данным Н.И. Зезюкова (1994), под культурами севооборотов содержание лабильных форм ОргВП было в 3-5 раз меньшим, чем на целинной почве.
Сельскохозяйственное использование приводит к уменьшению содержания фракций Сі и С3 во всех почвах и полному исчезновению С2. Расчет содержания фракций С0, Сь С2 и Сз производили аппроксимируя кумулятивные кривые выделения С-С02 за длительный (120 суток и более) срок инкубации [Семенов и др., 2004; Семенов и др., 2008; Motavalli et al., 1994]. Содержание фракции С0 в почвах естественных угодий зонального ряда составляет 4-11% от Сорг, а в пахотных - 2,3-6,2%. ОргВП дерново-подзолистой, серой лесной почвы и выщелоченного чернозема естественных угодий характеризуется наличием всех трех минерализуемых фракций, тогда как темнокаштановой и каштановой почв - С] и С3. В других исследованиях с длительной инкубацией образцов пахотной почвы (260 суток и более) минерализовалось 6,4-9,4% от Сорг, а скорость полуразложения этого активного пула составляла в среднем 100 суток [Collins et al., 2000].
Количество инертного ОВ в почве зависит от многих факторов (гранулометрического состава, степени окультуренности, интенсивности применения различных видов органических удобрений и т.д.). При этом главным является содержание илистой фракции, которая прочно закрепляет поступающее в почву ОВ [Мерзлая, Шевцова, 2006]. Пул инертного ОВ с высокой степенью защиты может сохраняться на протяжении сотен и тысяч лет.
Время оборачиваемости углерода в почвах зависит также от системы землепользования и типа возделываемой культуры: оно значительно больше на пастбище или при минимальной обработке почв, чем при обычной системе земледелия [Six, 2002]. Было показано, что время оборачиваемости углерода в микроагрегатах больше, чем в макроагрегатах, а монтмориллонитовые глины обычно в большей степени способствуют закреплению Сорг, нежели каолинитовые и иллитовые [Six, 2002].
Изучения динамики содержания гумуса в пахотных чернозёмах [Сорокина, 1997] показали, что за 20 лет ежегодная потеря гумуса чернозёмами за счёт выпахивания составила примерно 0,03%. Р.Д. Хайнес и Р.С. Свифт и выяснили, что после превращения пахотных почв в пастбище устойчивость агрегатов изменялась быстрее, чем суммарное содержание ОргВП [Haynes, Swift, 1990; Haynes et al. 1991]. Данный факт говорит о том, что разные типы ОргВП выполняют различные функции. Б.Д. Кай и Д.А. Ангерс предположили, что большая часть всего Сорг фракций в разной степени была вовлечена в формирование агрегатов и процессы стабилизации [Kay, Angers, 1999].
Факторы, влияющие на биоту. На жизнь почвенных микроорганизмов действует комплекс разнообразных условий. Поступление свежего ОВ, изменения температуры и влажности определяют сезонные изменения в количественном и качественном составе микрофлоры, влияние других проявляется менее заметно [Рахно, 1964]. Е. Н. Мишустин (1951, 1955, 1959) связывал динамику микроорганизмов с целым рядом факторов: окультуренностью и типом почвы, наличием в ней влаги и, главным образом, с температурой и трансформацией питательных веществ. По данным Е.Н. Мишустина (1956) температурный оптимум для развития бактерий находится в интервале температур от 25 до 35С. Влажности и температуре придает решающее значение С. А. Самцевич (1955). Н. С. Никитина (1955) также считает, что развитию бактерий, помимо температуры, способствует обогащение грунтов органическими веществами. Количество ОргВП и кислорода является основным фактором распределения биомассы и типа микробиомассы в профиле почвы [Мишустин, 1956].
Почвы разных климатических зон отличаются не только по содержанию МБ, но и по ее чувствительности к природным и антропогенным воздействиям [Ананьева, 2003]. МБ почвы и ее активность находятся в сильной зависимости от содержания метаболически доступного углерода [van Veen et al, 1985; Сусьян, 2006]. Вместе с этим, углерод характеризуется как наиболее лимитированный элемент МБ почвы в большинстве исследуемых почвенных экосистем [Smith, 1994].
Имеется достаточно данных об отклике МБ на изменение обработки почвы [Drury et al., 1991], внесение минеральных удобрений [Fauci, Dick, 1994] и растительных остатков [Franzluebbers et al., 1995]. В почвах, удобренных компостом, наблюдалось существенное увеличение Смб, тогда как на фоне минеральных удобрений, как и на контрольном участке, содержание Смб снижалось [Grego et al., 1998]. Значительное уменьшение Смб в почве после внесения минеральных удобрений и особенно азота отмечено и в других экспериментах [Отау, 1997]. Совместное применение органических и минеральных удобрений предотвращает обеднение почвы Смб [Hopkins, Shiel, 1996].
Агровоздействия (распашка, орошение, внесение удобрений) оказывают существенное влияние не только на величину МБ, но и на соотношение в ней грибов и бактерий [Полянская и др., 1995а, 1997; Zellens et al., 1994; Bardgett et al., 1996; Lavahun et al., 1996]. Считается, что состояние микробного сообщества почвы зависит не столько от системы земледелия в целом (минеральная или органическая), сколько от используемых в них агротехнических приемов (применение зеленого удобрения, возделывание почвозащитных культур, вид севооборота, техника заделки растительных остатков) [Bossio et al., 1998]. Окультуривание повышает численность микробного населения [Мишустин, 1956] и заметно углубляет микробиологический профиль. В тоже время в пахотных почвах по сравнению с необрабатываемыми содержалось в 1,5-4,6 раза меньше МБ, что соответствовало 1,2-3,1% от Сорг [Семенов, 2008].
В статье Л.М. Полянской приведены результаты изучения биомассы микроорганизмов по профилям разных типов почв [Полянская, 1995]. По запасам биомассы исследуемые почвы можно расположить в порядке возрастания следующим образом: серая лесная, дерново-подзолистая почва, чернозём и каштановая почва. По данным Е.А. Сусьяна (2006) в слое 0-24 см серой лесной почвы сосредоточено около 57% МБ всего профиля. В чернозёме наибольшее количество МБ обнаружено также в верхнем гумусовом горизонте.
Факторы, влияющие на интенсивность дыхания почвы. Углекислый газ, поступающий из почвы, является следствием самых разных процессов, происходящих в почве. Основными источниками С02 в почве являются жизнедеятельность микроорганизмов и почвенной фауны, дыхание корней, ферментативная активность почв, физико-химические и химические процессы, такие, как разложение карбонатов, переход бикарбонатов в карбонаты и др.
Физико-химические свойства северных подтипов черноземов
Палеокриогенный микрорельеф на данном участке отличается меньшей выраженностью, чем на ключевом участке «Пущино» в зоне широколиственных лесов. Если в серых лесных почвах превышения блоков над межблочьями достигают 30-70 см, то в северной лесостепи превышения составляют 20-35 см. Морфологический анализ почв блочного повышения и межблочного понижения показывает разницу в строении почвенных профилей, обусловленную действием поздневалдайского палеокриогенеза. Она выражается в наличие крупной клиновидной грунтовой структуры ниже профиля почвы межблочного понижения. Профиль почвы межблочья оподзолен на большую глубину, о чем свидетельствует обильная белесая присыпка. В отличие от межблочья, в нижней части профиля блока появляются карбонаты. В почве межблочного понижения чётко выражены гумусовые зеркала и охристые пленки по вертикальным трещинам.
Почвенный покров черноземов ключевого участка «Венёв» представляет собой кольцеобразные циклические комплексы, состоящие из черноземов выщелоченных (чернозем глинисто-иллювиальный типичный ОКлассификация..., 2004D) на блоках и черноземов оподзоленных (чернозем глинисто-иллювиальный оподзоленный Классификация..., 2004D) на оконтуривающих их межблочных понижений.
Гранулометрический состав обоих профилей почв по классификации НА. Качинского относится к тяжелосуглинистому, который с глубиной становится более лёгким (легкосуглинистым) (рис. 15). Однако если в профиле блока распределение высокодисперсной фракции ила постепенно уменьшается уже в нижней части гумусового горизонта, то в профиле межблочья ил распределяется с образованием двух максимумов, и лишь на глубине 225 см его количество начинает уменьшаться. Распределение физической глины на блоке и в межблочье на глубинах 75, 115 и 160 см имеет разнонаправленный характер. Принимая во внимание тот факт, что характеризуемая поверхность с палеокриогенным микрорельефом имеет наклон, а нулевая отметка межблочного понижения находится выше таковой на блоке на 20 - 30 см, то в целом распределение физической глины в обоих разрезах сходное, только в межблочье оно как бы растянуто по глубине. Таким образом, гранулометрический состав исследуемого чернозема представляет собой иловато-крупнопылеватый тяжелый суглинок.
Пространственная неоднородность и временная изменчивость факторов почвообразования проявляются также в варьировании других показателей физико-химического состояния почв. Данные, приведенные на рисунке 16, показывают, что распределение Сорг носит аккумулятивный характер и закономерно уменьшается с глубиной. Наибольшее его количество в верхней части гумусового горизонта почвы блока составляет 2,8%, в почве межблочья 3,2%. В обоих случаях кривые содержания Сорг снижаются до значений 0,3%, однако на блоке более резко, чем в межблочье.
Распределение карбонатов в профилях почв блочного повышения и межблочного понижения различаются только на глубине 100-250 см, где значительно увеличивается содержание карбонатов в профиле почвы блока (рис. 16).
По величине рН солевой вытяжки гумусовые горизонты почвы блока характеризуются как нейтральные и близкие к нейтральным. Ниже, до глубины 103 см, т. е. до границы верхней погребенной почвы, реакция слабокислая. Остальная часть профиля, включающая обе погребенные почвы, имеет вновь нейтральную среду. В почве межблочья только два верхних гумусовых горизонта характеризуются нейтральной реакцией, далее она довольно резко становится сильнокислой и лишь в нижней погребенной почве - среднекислой.
Сумма катионов в профиле современного чернозема уменьшается от 30 до 22 мг-экв/100 г почвы на блоке и до 18 мг-экв/100 г почвы в межблочье (рис. 18). В почве блока на глубине 103-250 см сумма катионов резко увеличивается до 45 мг-экв/100 г почвы, что связано с увеличением поглощенного Са2+ и залеганием на этой глубине погребённой почвы (рис. 19). В почве межблочья по сравнению с блоком преобладающими катионами являются Mgz иЫаЧрис. 19,20).
Современный чернозем характеризуется средней обеспеченностью Р2О5, на блоке и высокой - в межблочье (рис. 21). В почве блока в распределении Рг05 имеется несколько максимумов: один в гор. ВЗ, два других в горизонте [B3CD]. В почве межблочья также отмечается некоторое увеличение Рг05 в горизонте [CD].
Обеспеченность современного чернозема К20 в обеих почвах характеризуется как средняя, при этом до второй погребенной почвы (до глубины 170 см) количество К20 несколько выше в почве блока, а ниже этой отметки - в почве межблочья (см. рис. 21).
Таким образом, по физико-химическим параметрам в зависимости от положения в системе блок-межблочье черноземы выщелоченные (блок - повышение) и черноземы оподзоленные (межблочное понижение) наиболее различаются по следующим параметрам:
- почва межблочья содержит большее количество Сорг по сравнению с почвой блока;
- почва блока на глубине 100 - 225 см содержит увеличенное количество С02 карбонатов, в то время как профиль почвы межблочья характеризуется фоновыми значениями;
- профиль почвы межблочья обладает слабокислой реакцией почвенного раствора, а ее оподзоленный горизонт и верхняя погребенная почва - сильно- и среднекислой, соответственно; реакция среды почвы блока нейтральная; по величине рН солевой вытяжки почва межблочья также сильно- и среднекислая, за исключением двух верхних гумусовых горизонтов Ai и А] пахотный, которые характеризуются нейтральной реакцией среды;
- в профиле почвы блока подгумусовая часть современного чернозема до глубины 100 см имеет слабокислую реакцию, ниже реакция нейтральная, что совпадает с распределением С02 карбонатов;
- с отметкой 10 см связан еще один физико-химический показатель - сумма обменных катионов: в почве блока она резко увеличивается, что связано с увеличением поглощенного Са2+;
- почва межблочья характеризуется высокой обеспеченностью Р2О5, тогда как почва блока - средней. Несмотря на одинаковую (среднюю) обеспеченность верхних частей современного чернозема обеих почв обменным К20, до второй погребенной почвы (до отметки 170 см) количество обменного К20 несколько выше в почве блока, и ниже этой отметки - в почве межблочья.
Итак, гранулометрический состав и физико-химические показатели чернозёмов ключевого участка «Венев», в зависимости от положения на элементах палеокриогенного микрорельефа (палеокриогенный блок или межблочное понижение), сильно варьируют в пространстве.
Тип землепользования - лесополоса. Участок «Лесополоса»
Морфологический анализ почв блока (разрез 5-2005) и межблочья (разрез 6-2005), выявил разницу в мощности и цвете гумусового горизонта. На блоке его мощность составляет около 1 м, тогда как в межблочье около 0,5 м. В разрезе межблочного понижения материал гумусового горизонта более темный. Важная особенность почвы межблочного понижения - в ней всегда на всех участках присутствует гор. Bf, впервые отмеченный Г.М. Туминым (1930) и названный им «красным» (рис. 51).
На рисунке 52 приведена карта элементов палеокриогенного полигонально-блочного микрорельефа участка «Лесополоса» на ключевом участке «Каменная степь» (карта составлена по результатам нивелирной съемки).
Микрорельеф представлен блоками и разделяющими их межблочными понижениями, что подтверждает дешифрирование аэрофотоснимков. Микрорельеф является реликтовым и обусловлен наличием погребенных в почвенной толще скоплений (или сгущений) языков-клиньев мощностью около 1 м (рис. 53). Сгущения языков-клиньев выходят из горизонта В4са современного чернозёма и выполнены безгумусным материалом этого горизонта, что свидетельствует о формировании этих клиньев в доголоценовое время, подтверждая реликтовость микрорельефа.
По гранулометрическому составу почвы участка «Лесополоса» на ключевом участке «Каменная степь» являются тяжелосуглинистыми и легкоглинистыми (рис. 54). Преобладающими фракциями являются илистая и крупнопылеватая. Фракция ила в профиле чернозема на блоке распределяется неравномерно, с выделением заметных трех максимумов содержания: в самом верхнем горизонте А lea, в верхнем и среднем иллювиальных горизонтах В lea и В2са и погребенной почве. В профиле чернозема межблочья фракция ила распределяется более равномерно с преобладанием в верхней части иллювиальной толщи профиля. Фракция крупной пыли также распределяется неравномерно, преобладая в верхней и нижней частях профилей почв блока и межблочья.
По распределению Сорг почвы блока и межблочья значительно различаются (рис. 55). В почве блока содержание Сорг постепенно снижается с глубиной. В почве межблочья в верхней части гумусового горизонта органического углерода содержится больше чем в почве блока, но убывает с глубиной он более резко, особенно ниже 60 см.
В черноземах блока и межблочья распределение содержания СОг карбонатов неравномерно (рис. 55). Почвы блока менее вымыты от карбонатов в верхнем метре профиля (вскипание материала почвы происходит практически с поверхности), чем почвы межблочного понижения, где вскипание наблюдается с глубины около одного метра.
Существенное отличие между почвами блока и межблочья хорошо видно в отношении реакции среды. Разница значений рН в гумусовом горизонте достигает 3-х единиц (рис. 56). Значения рН водного и солевого в почве на блоке с глубины 20 см слабо нарастают. По значениям рН водного почвы блока являются щелочными. В почве межблочного понижения эти значения изменяются от слабокислых в гумусовом горизонте до нейтрально-слабощелочных в подгумусовой части профиля.
Поглощенный Mg2+ практически равномерно распределен в почве межблочного понижения, а в почве блока имеет место увеличение концентрации поглощенного Mg с глубиной. Максимальных значений содержание поглощенного Mg2+ достигает в погребённой почве (рис. 57).
Поглощенные основания в почвах блока и межблочья распределены очень неравномерно. Кривая распределения по профилю поглощенного Са в почве блока имеет аккумулятивный характер (рис. 57). В почве межблочья наблюдается перераспределение по профилю поглощенного Са2+ и вынос его из верхних 60-80 см. В обоих профилях существенные изменения происходят на глубине 60-80 см, в почве блока содержание поглощенного Са уменьшается, а в почве межблочья увеличивается.
Обменный Na+ в обеих почвах практически отсутствует, появляясь в почве блока на глубине, близкой к уровню залегания погребённой почвы. Привлекает внимание факт практического отсутствия обменного Na+ в профиле почвы межблочья на уровне погребённой почвы (рис. 58).
Содержание обменного калия в обеих почвах имеет аккумулятивное распределение. Увеличение на глубине 25 см в профиле почвы блока совпадает с глубиной залегания второго гумусового горизонта (Aha) (рис. 58).
В обеих почвах происходит биогенное накопление подвижных Рг05 и К20 (рис. 59). Почва блока характеризуется хорошей, а межблочья средней обеспеченностью подвижным Рг05. Максимальные величины Рг05 сосредоточенны в верхней части гумусового горизонта (до глубины 40 см), ниже которой значения в профилях почв слабо меняются.
В почве блока растворимый К20 выносится медленнее, чем в почве межблочья (см. рис. 59). Низкие значения К20 в почве межблочья начинаются с глубины 18-20 см, а в профиле почвы блока только с глубины 80 см. В целом кривые повторяют распределение в профилях обменного калия: быстрое снижение значений в почве межблочья и относительно высокие значения в почве блока до глубины 60 см. Биологические свойства черноземов.
Основные различия в содержании Сорг в чернозёмах на разных элементах микрорельефа участка «Лесополоса» выражены в гумусовых горизонтах (рис. 60). В верхней части гумусового горизонта почвы межблочья значения Сорг существенно больше, чем в почве блока. Однако, в межблочье содержание Сорг быстро снижается с глубиной. Следует подчеркнуть, что мощность гумусового горизонта почвы межблочья со значениями Сорг выше 1% существенно (на 20 см) меньше, чем гумусового горизонта блока. Низкие (меньше 1%) значения в почве блока начинаются с глубины 110 см, а в почве межблочья с 84 см.
Микробиологические процессы протекают главным образом в верхних почвенных горизонтах, где сосредоточены основные запасы почвенного ОВ [Полянская, 1995]. По количеству Смб в профилях пары блок-межблочье выделяются три области с разным содержанием СМб: высоким (от 35-45 мг/100 г почвы), средним (от 5 до 35 мг/100 г почвы) и низким (до 5 мг/100 г почвы) (см. рис. 60).
В зависимости от положения почв в микрорельефе мощности и глубины залегания этих слоев несколько различны. Высокие значения в обоих профилях характерны для верхней 30-см толщи. Средние значения в почве межблочья встречаются до глубины 62 см, а в почве блока - до 75 см, ниже этих глубин в соответствующих профилях наблюдаются низкие значения.
Содержание фракций Q и Сг сильно различается в зависимости от положения почв в микрорельефе (рис. 61). В верхней части гумусового горизонта почвы блока преобладает фракция С] (в 1,5 раза больше чем в почве межблочья), а в гумусовом горизонте межблочья несколько преобладает фракция Сг В распределении фракции Сг в профиле почвы блока отмечаются несколько пиков содержания: на глубине 50 см (гор. А1 кротовинный), на глубине 125 см (гор. В2), на глубине 170 см (гор. ВЗ) и на глубине 250 см - нижняя часть ПП. С некоторыми из этих глубин совпадают изменения значений других биологических свойств. Так, к глубине 125 см (гор. В2) приурочено повышение значения коэффициента qC02, а к глубинам 170 см (гор. ВЗ) и 250 см (нижняя часть ПП) -повышение содержания фракции С\.
Различия параметров биологических свойств чернозёмов, обусловленные палеокриогенным микрорельефом, в условиях разного землепользования
Изучение влияния палеокриогенного микрорельефа на изменчивость биологических свойств чернозёмов степи в условиях разного землепользования проводилось на ключевом участке «Каменная степь» на трёх участках: «Пашня», «Косимая степь-!» и «Лесополоса».
Участок «Пашня». Участок представляет собой вспаханное и заборонованное поле. Превышение блока над межблочьем 20 см. На блоках развиты черноземы обыкновенные (агрочерноземы сегрегационные). Межблочные понижения занимают черноземы типичные (агрочерноземы миграционно-мицелярные) [Классификация..., 1977; (Классификация..., 2004)].
Детальную характеристику биологических свойств почв участка «Пашня» см. в главе 5.1.
Участок «Косимая степь-1». Ежегодно скашиваемый участок с многолетней травянистой растительностью. Превышение блока над межблочьем 30 см. На блоках развиты черноземы обыкновенные (черноземы сегрегационные). Межблочные понижения занимают черноземы типичные солонцеватые (черноземы солонцеватые) [Классификация..., 1977; (Классификация..., 2004)].
Значения, характеризующие БСП, подтверждают морфологическую и физико-химическую разницу чернозёмов, сформированных на блоках и межблочьях участка «Косимая степь-1». Более подробно см. главу 5.2.
Участок «Лесополоса». Дубово-кленовый лес, возраст 109 лет. Превышение блока над межблочьем составляет 28 см. На блоках развиты черноземы обыкновенные (черноземы сегрегационные). Межблочные понижения занимают черноземы типичные (черноземы миграционно-мицелярные) [Классификация..., 1977; (Классификация..., 2004)]. Более подробно описание свойств почв участка «Лесополоса» см. в главе 5.3.
Различия параметров биологических свойств чернозёмов, обусловленных палеокриогенным микрорельефом в условиях разного землепользования.
Показатели биологических свойств верхней части (0-20 см) гумусовых горизонтов чернозёмов «Каменной степи» на блочных повышениях и в межблочных понижениях в разной степени различаются в зависимости от типа землепользования. Минимальными значениями показателей БСП выделяется участок «Пашня», при этом в почве межблочья содержание фракций Со, С] и Сг выше, чем в почве блока, что нехарактерно для почв других ключевых участков (рис. 71). Наиболее заметно почвы блоков и межблочий различаются по содержанию фракции С] - на 73 %. По данным Б.П. Ахтырцева (1992), именно под лесными полосами и на залежных участках чернозёмы заказника «Каменная степь» сохранили запас органических веществ, наиболее близкий к исходному.
Для других участков землепользования показатели БСП в целом различаются меньше, но отличия сохраняются (см. рис. 71). Так, на участке «Лесополоса» в почве межблочного понижения содержание фракции С0 и С2 (на 25% и 17% соответственно) выше, чем в почве блока; на блоке отмечено высокое содержание Смб (на 30%) больше, чем в межблочье). На участке «Косимая степь-1» значения многих показателей БСП (см. рис. 71) на 13-23%) выше в профиле почвы блока, чем в профиле почвы межблочья. Исключением являются фракции С0 и С], содержание которых на 14% и 24% соответственно больше в почве межблочья.
В зависимости от землепользования и выраженности микрорельефа БСП в профилях чернозёмов значительно изменяются. Самые высокие значения содержания Сорг отмечаются в профиле почвы межблочного понижения на участке «Лесополоса» (рис. 72). На участке «Косимая степь-1» снижение содержания Сорг с глубиной в профилях почв межблочного понижения происходит несколько быстрее, чем в профилях почв блоков во всех типах землепользования. Наиболее заметное снижение содержания Сорг с глубиной отмечено в профиле почвы межблочного понижения.
Антропогенное воздействие заметно повлияло не только на сохранность и выраженность микрорельефа, но и на показатели БСП, сформированных как на блочных повышениях, так и в межблочных понижениях участка «Пашня». Эти показатели отличаются при слабой выраженности микрорельефа низкими значениями. Различия БСП между почвами блока и межблочья здесь практически не выражены и содержание Смб самое низкое из всех изученных нами чернозёмов заказника (рис. 73).
Содержание Смб в почвах участка «Косимая степь-1» характеризуется средними значениями и небольшими различиями в почве блока и межблочья (см. рис. 73). Наибольшие абсолютные значения содержания Смб и различия значений между почвами блочных повышений и межблочных понижений (на 30%) отмечены под лесополосой. Варьирование значений Смб в условиях разного землепользования достигает от +16 до +673%.
Легкоминерализуемый углерод как наиболее динамичный и чувствительный к антропогенным воздействиям компонент органического вещества является важным показателем краткосрочной динамики органического углерода почвы. Наименьшее содержание Сі отмечается в чернозёме под пашней, при этом в подгумусовой части профиля почвы межблочья (синяя кривая) содержание Сі несколько выше, чем в подгумусовой части профиля почвы на блоке (рис. 74). В чернозёме косимой степи содержание Сі в нижней части гумусового горизонта блока на 15-30% больше, чем в гумусовом горизонте межблочье. Самые высокие значения содержания С] отмечены в лесополосе в почве блока, в почве межблочья они заметно меньше (см. рис. 74). В целом различия по содержанию СМб и фракции Сі почв блока и межблочья здесь сосредоточены в нижней части гумусовых горизонтов.
Полученные значения показателей БСП показали, что землепользование (распашка, сенокошение и посадка лесополос) в значительной степени изменило естественные свойства чернозёмов ключевого участка «Каменная степь». Наименьшие значения показателей БСП отмечены на участке «Пашня», заметно большие - на участке «Косимая степь-1» и максимальные - на участке «Лесополоса». Наши данные показывают, что различия чернозёмов разных участков по отдельным показателям БСП могут достигать до 673%.
Похожие диссертации на Роль палеокриогенного микрорельефа в изменчивости биологических свойств почв
-
