Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Органическое вещество и структура черноземов. Обзор литературы ...3
1.1 Экологическая роль структуры в поддержании важнейших свойств почвы...3
1.2 Взаимосвязь содержания и качественного состава органического вещества и структурных агрегатов почв 11
1.3 Современные представления об органо-минеральных взаимодействиях в почве 17
Глава 2. Условия, объекты и методы исследований 33
2.1. Природные условия и объекты исследования 33
2.2. Методы исследования 43
Глава 3. Гумусное состояние черноземных почв при различных способах их использования 47
3.1. Содержание гумуса в целинном, залежном и пахотных черноземах 47
3.2 Содержание и состав лабильных гумусовых веществ на целинном, залежном и пахотных черноземах 50
Глава 4. Структурное состояние черноземных почв 55
4.1. Воздушно-сухие агрегаты 55
4.2 Водоустойчивые агрегаты черноземных почв 58
Глава 5. Содержание органического углерода в воздушно-сухих и водопрочных агрегатах 64
Глава 6. Содержание органического углерода лабильных гумусовых веществ в воздушно-сухих и водопрочных агрегатах 69
6.1 Воздушно-сухие агрегаты 69
6.2 Водоустойчивые агрегаты 71
Заключение 78
Выводы 79
Литература 81
Приложения 104
- Взаимосвязь содержания и качественного состава органического вещества и структурных агрегатов почв
- Содержание и состав лабильных гумусовых веществ на целинном, залежном и пахотных черноземах
- Водоустойчивые агрегаты черноземных почв
- Водоустойчивые агрегаты
Введение к работе
Структурное состояние почв тяжелого гранулометрического состава является одним из основных факторов определяющих их водный, воздушный и питательный режимы. Со структурой почвы тесно связана структура порово-го пространства. Благоприятное соотношение пор обеспечивает оптимальные условия водного, воздушного и питательного режимов почв. Именно через структуру почв можно управлять пористостью и физическими свойствами почв, а также протекающими в них процессами.
Механическая прочность и водопрочность почвенных агрегатов определяют устойчивость сложения во времени, а также устойчивость к деградации их физических свойств.
Имеющиеся в литературе данные о связи между содержанием гумуса и структурным состоянием черноземов крайне неоднозначны (Хан, 1969). В то же время в многочисленных исследованиях (Гумматов, Пачепский, 1991; Кирюшин, Ганжара, Кауричев, Орлов, Титлянова, Фокин, 1993; Кузнецова, 1998; Шинкарев, Перепелкина, 1997; Шеин, Милановский, 2003) показано неодинаковое влияние различных групп гумусовых веществ на структурное состояние почвы,
Наряду с теоретическими аспектами проблема связи гумусного состояния и структурного состава черноземов имеет и большое практическое значение. Это обусловлено как прогрессирующим обесструктуриванием почв, так и минерализацией органического вещества. Поэтому изучение взаимосвязи структурного состава почв и их гумусного состояния вызывает значительный теоретический и практический интерес.
Взаимосвязь содержания и качественного состава органического вещества и структурных агрегатов почв
Касаясь оценки вклада гумуса в агрегате образование, следует отметить два перспективных направления научного поиска. С одной стороны, это изучение взаимодействия органических компонентов с минеральными поверхностями на уровне ионно-молекулярном и в этой области достигнуты существенные успехи. С другой стороны, это изучение характера зависимости между содержанием и составом гумуса и агрегатным состоянием почвы (что позволяет вернуться к первоначальному взгляду на сущность возникновения специфической почвенной формы организации - агрегатов). Действительно, в почвенных условиях процессы образования и трансформации ГВ, как правило, протекают в условиях агрегатной организованности твердых фаз почвы, поэтому интерпретация показателей структурно-агрегатного состава с учетом результатов анализа состава гумуса на усредненную навеску почвы является в значительной степени неопределенной. Следовательно, характер зависимости должен исследоваться на качественно ином уровне структурной организации почвы - агрегатном, но имеющиеся по этому вопросу публикации немногочисленны и довольно противоречивы (Сорочкин с соавт., 1990). Остается открытым вопрос о роли в явлениях упрочения внутренних связей в агрегатах различных групп ГВ, так же как и вопрос о тождестве их состава в агрегатах различной крупности, хотя некоторые эксперименты свидетельствуют о наличии определенной системы в распределении органо-минеральных компонентов в объеме агрегатов (Шинкарев с соавт., 1997).
Применительно к оценке вклада ГВ в агрегацию твердых фаз почвы особо стоит вопрос ухудшения структурного состояния лесостепных почв при вовлечении их в обработку, поскольку в качестве одной из главных причин этого негативного явления указывается дегумификация. Сравнивая характеристики агрегатов целинных почв и их пахотных аналогов, можно было бы попытаться выявить зависимость между фракционным составом ГВ и степенью агрегированности почвенной массы (Шинкарев с соавт., 1997).
Основной запас органических веществ в почве представлен соединениями специфической природы — собственно гумусовыми веществами, которые образуются из растительных и животных остатков, а также продуктов жизнедеятельности микроорганизмов.
В формировании водопрочных агрегатов могут принимать участие различные компоненты, составляющие органическое вещество почвы: органические соединения неспецифической природы (полисахариды, полиурониды, слизистые вещества микробного происхождения, белковые вещества, битумы, смолы, лигнин), а также собственно гумусовые вещества — гуминовые кислоты и фульвокислоты.
Органическое вещество почв и, в первую очередь, свежеобразованные в почве гуминовые кислоты являются одним из основных факторов, определяющих хорошее структурное состояние почв, водопрочность почвенной структуры. Органические соединения почвы обладают структурообразующей способностью, которая может быть оценена по отношению к известным синтетическим структурообразователям. Образование агрономически ценной структуры обусловлено возникновением глино-гумусовых и органо-минеральных комплексов. Физико-химическая природа данных процессов далеко не ясна (Савич и др., 2001).
С практической точки зрения важно, что в большинстве случаев увеличение поступления в почву свежеобразованного органического вещества сопровождается улучшением ее оструктуренности. Повышение эффективности образования структуры наблюдается при поступлении в почву корневых, . пожнивных остатков или навоза, при увеличении в остатках доли белкового компонента, при известковании почв или при увеличении доли Са в ППК, при разложении остатков в тесном контакте с минеральной частью - в глубине пахотного слоя, при оптимальном водном и воздушном режиме почв, чередовании увлажнения и иссушения.
В основе влияния органического вещества на формирование почвы лежат динамические взаимодействия различных форм органического вещества. Для развития структуры почвы не так важно наличие органического вещества, как его биологические и химические модификации. Наибольшее положительное влияние органического вещества почвы на формирование почвенной структуры обусловлено, следовательно, взаимодействиями в комплексе органическое вещество - микроорганизм.
Главный прямой результат микробного разложения органического вещества почвы, относящийся к структуре почвы, связан с минерализацией тех органических соединений, которые связывают неорганические компоненты почвы. В связи с образованием агрегатов в почве, синтезированные микроорганизмами полисахариды цементируют минеральные коллоиды с образованием водостойких агрегатов, обычно присутствующих в хорошей почвенной структуре. Эти полисахариды подвержены биодеградации. Следовательно, в почве существуют такие популяции микроорганизмов, которые способны ка-таболизировать эти полисахариды, разрушая тем самым агрегатную структуру (Тейт, 1991). В образовании агрегатов почвы К. К. Гедройц (1955) придавал большое значение органическим веществам. Он считал, что органическая часть почвенного поглощающего комплекса наиболее высоко дисперсная и потому играет особо важную роль в процессах структурообразования почвы. Ведущая роль в формировании водопрочной структуры почвы принадлежит в основном гумусовым веществам, глинистым минералам и поглощенным катионам.
На основании обобщенных данных М. М. Кононовой (1963), П. Г. Адери-хина (1964), В. В. Лаврентьева (1972) В. В. Медведева (1988) и многих других показали, что длительная распашка черноземов и их сельскохозяйственное использование без внесения удобрений приводят к потерям органического вещества. Это является причиной ухудшения оструктуренности чернозема, его физических свойств и режимов. Достоверное (при Р = 0,95) снижение содержания общего гумуса обнаруживается на всю проанализированную глубину до 60 см. Далее была сделана попытка установить, изменяется ли при этом качество органического вещества, определяемое с помощью методов Кононовой-Бельчиковой (1960) и Пономаревой-Плотниковой (1967). Оказалось, что групповой и фракционный состав гумуса на целине и пашне довольно близок. Отмечались лишь тенденции снижения на пашне содержания гуминовых кислот, связанных с кальцием, и гумина, однако доказать их достоверность не удалось.
Содержание и состав лабильных гумусовых веществ на целинном, залежном и пахотных черноземах
Для оценки качественного состава гумуса многие исследователи используют фракционно-групповой состав гумуса, который позволяет характеризовать генетические и фациальные особенности тех или иных почв, но с его помощью весьма трудно определить агрономическую ценность гумуса и его составных частей. Наиболее целесообразным подходом к выявлению агрономической ценности гумуса и его составляющих можно считать разделение всех органических соединений почвы на две большие части; группу консервативных, устойчивых веществ и группу лабильных соединений, или «активную» и «пассивную» его части (Орлов, 1980; Тейт ., 1991; Кершенс, 1993; Кирюшин и др., 1993). Признавая важность всех компонентов органического вещества для плодородия почв (Еськов и др., 2001; Кирюшин, и др., 1993; Фокин, 1989), следует подчеркнуть особую роль его активной, разлагающейся части. Наиболее вероятно, что агротехническими приемами можно изменять именно этот пул органического вещества, а, следовательно, имеется реальная возможность его регулирования с целью повышения эффективного плодородия пахотных почв.
Однако, отнесение некоторых компонентов органического вещества к "легко (быстро) метаболизируемому" или устойчивому пулу представляет сложную научную проблему (Тейт, 1991).
Существуют физические (гранулометрическое, денсиметрическое, грану-лоденсиметрическое фракционирование), химические (экстракция органических и гумусовых веществ водой, растворами кислот, щелочей и солей) и биологические (компостирование почвенных образцов с учетом выделившегося диоксида углерода, определение углерода микробной биомассы и др.) способы и методы оценки активной, лабильной части гумуса.
Сотрудниками лаборатории биологии и биохимии почв Почвенного института им. В. В.Докучаева проведен поиск химических тестов, характеризующих лабильные, наиболее информативные в отношении эффективного плодородия почв, формы гумуса, и исследован их состав с помощью физико-химических методов ("Оценка почв ,.., "1990; " Рекомендации для исследования ...", 1984).
Согласно К. В. Дьяконовой (1984) к ним могут быть отнесены сравнительно "молодые формы" гумуса, которые непрочно связаны с минеральной частью почвы, содержат большое количество азота (C/N не более 12), способны относительно быстро трансформироваться и высвобождать азот для растений.
Для черноземов, как это было показано Тюриным (Тюрин, 1937), такая фракция подвижных (лабильных) гумусовых веществ извлекается непосредственно из почвы 0,1н. раствором NaOH. Химическая природа гуминовых кислот типичного чернозема была исследована с помощью комплекса физико- химических методов. Было установлено, что средний элементнныи состав серых гуминовых кислот черноземов резко отличается от такового лабильных (бурых) гуминовых кислот этого типа почв. Лабильные гумусовые кислоты по сравнению с серыми гуминовыми кислотами характеризуются меньшей обуглероженностью (Р=0,95) и более обогащены водородом и азотом. Лабильные ФК по сравнению с ФК2 обладают теми же различиями. Анализ элементного состава, ИК-спектров, данных дериватографии, гидролизу ем ости азотсодержащих компонентов, по-тенциометрического титрования кислых функциональных групп показал, что для черноземов лабильными являются гуминовые кислоты, извлекаемые непосредственно ОД н раствором NaOH (Когут и др., 1987).
Почвенное плодородие обеспечивается непременным сосуществованием и определенным соотношением обеих частей органического вещества. Поэтому при исследовании важно уделять внимание не только вопросам общего содержания и запасов гумуса, но и давать оценку его качеству, изучать процессы его трансформации в условиях сельскохозяйственного использования почв.
Потеря части гумуса при сельскохозяйственном использовании почв - неизбежный процесс. Для поддержания экологической устойчивости почв важным является сохранение в них достаточного количества лабильных соединений.
Изучение лабильных гумусовых веществ в черноземе типичном показало, что распашка и длительное содержание почв в пару вызвало снижение содержания Слгв (в % от массы почвы) в 2,3 раза по отношению к таковому на целине (табл. 6).
Различия между содержанием лабильных гумусовых веществ под монокультурой озимой пшеницы и таковыми под чистым паром на типичном черноземе были значительно меньше, и они составили 28,6 % . Наибольшее содержание Слгв выявлено в черноземе выщелоченном под залежью. При паровании этого чернозема оно снизилось на 23,6 %. Влияние растительности сказалось не только на общем содержании Слгв, но и на пространственной изменчивости данного показателя. Если в почвах с естественной и залежной растительностью коэффициент вариации составлял 9,3 - 38,5, то на вариантах с бессменным паром он снизился до 2,1- 20,5%, а на таком же варианте в условиях Петринского опорного пункта еще значительнее - до 1,4- 8,2%.
Определение качественного состава ЛГВ показало, что распашка и парование оказывают наиболее существенное влияние на содержание Слгк. В среднем по трем объектам под влиянием этого приема оно снизилось на 42,9%, а количество Слфк - лишь на 23,3%.
Водоустойчивые агрегаты черноземных почв
Органическое вещество почвы и его компоненты играют важную роль в формировании водопрочной структуры черноземов. Анализ экспериментальных результатов по содержанию и составу органического вещества агрономически ценных агрегатов типичных черноземов Курской области и выщелоченных черноземов Пензенской области подтвердил это фундаментальное теоретическое положение.
На основании проведенных исследований структурных особенностей агрегатов целинного, залежного и пахотных черноземов была установлена существенная роль, как общего органического углерода, так и органического углерода лабильных гумусовых веществ в образовании водоустойчивых агрегатов.
Ранее (Когут, 1996) было показано, что содержание лабильных гумусовых веществ, извлекаемых из почвы непосредственно 0,1н раствором NaOH, формируется из двух источников: 1) новообразованного гумуса растительных остатков: 2) деградированных "старых" гумусовых веществ, поступающих из 2-оЙ по Тюрину фракции, связанной с Са (Шевцова, Володарская, 1991).
Следует полагать, что адгезионные свойства (клеящая способность) новообразованных гумусовых веществ выражены сильнее, чем таковые деградированных "старых" гумусовых веществ. Подтверждением этого может служить тот факт, что водоустойчивой агрегаты 3-1 мм вариантов, занятых растительностью, более обогащены лабильными гумусовыми веществами, чем во фракции 0,25 мм. Для вариантов с бессменным паром подобная закономерность не всегда соблюдается, т. к. их лабильные гумусовые вещества состоят в основном из фрагментов "старых" гумусовых веществ со слабо выраженными адгезионными свойствами.
Таким образом, в составе органического вещества почвы наряду с новообразованными гумусовыми веществами, обладающими повышенными адгезионными свойствами, но к сожалению плохо селективно выделяемыми, могут присутствовать и другие органические и гумусовые вещества с подобными свойствами.
На наш взгляд, поиск по выявлению компонентов органического вещества, ответственных за формирование водопрочной структуры черноземов, необходимо продолжить на основе физических и биологических методов. 1. Длительное бессменное парование типичного чернозема в условиях Курской области приводит к резкому снижению содержания гумуса по от ношению к некосимой степи, стабилизируясь на минимальном уровне, со ставляющем - 2,9 Сорг % от массы почвы. В условиях Пензенской области снижение содержания гумуса при 4-х летнем паровании выщелоченного чернозема по отношению к залежи было незначительным, и составило около 4 относительных %. 2. Интенсивное падение содержания гумуса при распашке черноземов в первую очередь связано с потерей лабильных форм гумуса. Минимальное содержание лабильных гумусовых веществ и лабильных гуминовых кислот в условиях типичного чернозема Курской области зафиксировано на вариантах бессменного пара - 3500-3900 мгС/кг почвы и 1500-1700 мгС/кг почвы соответственно, а максимальное - на целине - 9100 мгС/кг почвы и 4300 мгС/кг почвы соответственно. 3. Выявлено, что в результате сухого просеивания наиболее контрастные различия по выходу воздушно-сухих агрегатов между вариантами с парами и вариантами, занятыми растительностью, проявились на агрономически ценной фракции 3-1 мм. Эти различия колебались от 7,9 до 47,6%. Причем фракция 3-1 мм среди изученных агрономически ценных фракций характеризуется максимальным выходом. 4. Установлено, что содержание органического углерода в воздушно-сухих агрегатах черноземов на вариантах с чистым паром выше, чем таковое во фракции менее 0,25 мм. На вариантах черноземов, занятых естественной и культурной растительностью, определенной закономерности в распределении органического углерода по агрегатам и фракциям не отмечается. 5. Показано, что с уменьшением размера водоустойчивых агрегатов черноземов (полученных при сухом просеивании агрегатов 5-3 мм и 3-1 мм) содержание органического углерода в них закономерно снижается. Неводоустойчивая фракция 0,25 мм содержит минимальное количество органического углерода. 6. Выявлено, что содержание лабильных гумусовых веществ и лабильных гуминовых кислот на вариантах черноземов, занятых естественной и культурной растительностью, в неводоустойчивых фракциях ( 0,25 мм) достоверно ниже чем в водоустойчивых агрегатах 3-1 мм. 7. Установлено, что содержание органического углерода и органического углерода лабильных гумусовых веществ в водоустойчивой фракции 3-1 мм больше чем во фракции 3-1 мм, полученной при сухом просеивании. Предложения производству. Регулирование структурного состояния черноземов должно определяться уровнем деградации их физических свойств: 1. На почвах с сильным разрушением структуры и ухудшением других физических свойств следует активировать структурообразовательные функции органического вещества путем залуження или перевода их в залежь. 2. При слабом и умеренном разрушении структуры следует использовать комплекс агротехнических приемов пополнения запасов органического вещества: внесение органических удобрений (навоз, солома, сидераты), введение в севообороты многолетних трав, известкование кислых черноземов.
Водоустойчивые агрегаты
Процесс снижения содержания и запасов гумуса при введении целинных почв в культуру известен давно, и общие закономерности этого процесса всесторонне освещены в монографиях И. В. Тюрина (Тюрин, 1937) и М. М. Кононовой (Кононова, 1963). Несмотря на изученность, проблема продолжает оставаться в поле зрения современных исследователей. Не вызывает сомнений, что накопление фактических данных позволяет дать более глубокую количественную оценку процесса дегумификации пахотных почв и вскрыть его планетарные масштабы (Розанов, Розанов, 1990).
Обобщение научной информации показывает, что в неэродированных черноземах при продолжительном их использовании под пашню (20-100лет) содержание гумуса уменьшается в пахотном слое по сравнению с верхним слоем целины не более, чем на 20-30% (Когут, 1996).
Выделяют два этапа дегумификации почв: резкое снижение содержания и запасов гумуса при распашке целины и дальнейшее уменьшение гумусиро-ванности старопахотных почв, когда органические удобрения не вносятся. При дополнительном внесении свежего органического вещества (навоз, запашка трав и т. д.) содержание гумуса в пахотных почвах возрастает (Орлов, 1985).
Возможности накапливать гумус в пахотных черноземах до уровня близкого к целинным не реальны и чрезвычайно ограничены, и поэтому биологические его потери в процессе освоения почв - потери не только неизбежные, но и невосполнимые. После распашки почва движется к новому, более низкому, равновесному состоянию гумуса, потому что поддержание его прежних запасов поступающим в условиях пашни количеством растительных остатков становится невозможным (Кононова, 1963; Шарков, 1987).
В то же время, по мнению Розанова, Таргульяна, Орлова (1989), было бы ошибочно рассматривать этот процесс минерализации и потери почвенного гумуса как постоянно прогрессирующий. В зависимости от почвенно-климатических условий и системы использования могут устанавливаться различные стационарные (состояние динамического равновесия) уровни содержания гумуса. Для черноземов характерны следующие уровни содержания гумуса в верхнем (0-30 см) слое: 1. Максимальное содержание гумуса устанавливается в почве в естественных условиях, когда растительная масса не отчуждается, что соответствует целине, 2. Минимальное содержание гумуса устанавливается в почве, когда в нее не поступает растительная масса, и она постоянно подвергается обработке, что соответствует ее бессменному парованию. 3. Модальное содержание гумуса - наиболее распространенный уровень содержания гумуса в старопахотном черноземе определенного гранулометрического состава конкретной почвенно-климатической зоны (района) с присущей ей сложившейся типичной агроэкосистемой. (Когут, 1996). В диапазоне между минимальным и максимальным содержанием гумуса располагаются практически все возможные стационарные уровни по этому показателю, достигаемые при самом широком наборе различных систем использования и способные обеспечить оптимальную потребность сельскохозяйственных культур органическим веществом без ущерба для окружающей среды (Когут, 2004). Исследованные черноземы значительно различаются по содержанию органического углерода (табл.5, пршюж.1). В условиях Курской области максимальное содержание гумуса на типичном черноземе отмечается на целине - 7,9 %, а минимальное при бессменном паровании - 4,8-5,0 %. Промежуточное положение занимает содержание гумуса под монокультурой озимой пшеницы без удобрений - 6,3 %. Следует отметить, что типичный чернозем в условиях бессменного пара характеризуется примерно одинаковым содержанием гумуса как в Стрелецкой степи, так и на Петринском опорном пункте, несмотря на различную продолжительность опытов (53 и36 лет соответственно). Это позволяет сделать заключение о том, что длительное использование чернозема в режиме бессменного чистого пара способствовало стабилизации гумуса на минимальном уровне, характеризующем сильную выпаханность типичного чернозема. Содержание гумуса под монокультурой озимой пшеницы достаточно близко соответствует модальному содержанию гумуса, отмеченному в литературе для типичного чернозема Курской области (Когут, 1998). Незначительное снижение содержания Сорг в выщелоченном черноземе учхоза Пензенской ГСХА в чистом бессменном пару по отношению к залежи может быть объяснено непродолжительным временем использования почвы под паром (4 года). Черноземы могут достаточно значительно различаться по величине минимального содержания гумуса, что связано с их гранулометрическим составом и провинциально-зональными условиями местообитания. Так, для типичных черноземов Курской области величина минимального содержания гумуса будет равна 5,0 %, обыкновенных черноземов Воронежской обл. (Каменная степь) - 6.5% (Свиридов, 1989), выщелоченных черноземов Воронежской обл. (Рамонь) - 3.9% (Девятова, 1985), выщелоченных черноземов Пензенской обл. - 7,4%, выщелоченных черноземов Западной Сибири - 5.9% (Шар-ков, Неклюдов, 1986), выщелоченных и обыкновенных черноземов Омской обл. - 4.9% и 4.7% соответственно (Палецкая, Неклюдов, 1986), черноземов обыкновенных карбонатных тяжелосуглинистых республики Кабардино-Балкарии - 2,7 % (Шаов, 2003). Диапазон колебаний величины минимального содержания гумуса на основании обобщенных данных по 8 длительным опытам на черноземах России составил 4,7 % гумуса.
