Содержание к диссертации
Введение
1. Методологические аспекты и современное состояние изученности физических свойств черноземов центра Русской равнины 11
2. Экологические условия почвообразования и особенности географического распространения почв центра Русской равнины 22
2.1. Климат 22
2.2. Геологическое строение и почвообразующие породы 27
2.3. Рельеф и гидрология 31
2.4. Биологический фактор 38
2.5. Возраст и эволюция черноземов 41
2.6. Влияние хозяйственной деятельности на черноземы 46
2.7. Общие и региональные закономерности географического распространения черноземов 50
3. Методологические принципы, объекты и методы исследования 57
4. Физическое состояние целинных и залежных черноземов 67
4.1. Граігулометрический и микроагрегатный состав 67
4.2. Структурное состояние 75
4.3. Физические и водно-физические свойства 75
5. Изменение структурной организации черноземов под воздействием распашки 92
5.1. Трансформация элементарных почвенных частиц и микроагрегатов 92
5.2. Преобразование показателей на агрегатном и горизонтном уровнях 97
5.3. Изменение структурно-функциональных физических свойств 103
6. Влияние удобрении на основные показатели физического состояния черноземов 118
6.1. Черноземы выщелоченные 118
6.2. Черноземы типичные 129
7. Влияние продолжительности сельскохозяйственного использования на основные уровни структурной организации черноземов 142
7.1. Изменение гранулометрического и микроагрегатного составов 142
7.2. Особенности изменения основных показателей структурного и физического состояния черноземов 148
8. Трансформация физических свойств черноземов при орошении 161
8.1. Черноземы типичные орошаемые 161
8.2. Черноземы обыкновенные длительно орошаемые 177
9. Количественная оценка показателей физического состояния черноземов 191
Выводы 204
Литература 210
Приложения 243
- Общие и региональные закономерности географического распространения черноземов
- Трансформация элементарных почвенных частиц и микроагрегатов
- Особенности изменения основных показателей структурного и физического состояния черноземов
- Черноземы обыкновенные длительно орошаемые
Введение к работе
Актуальность темы. Почва, представляя собой особую биокосную, многофазную и полидисперсную природную систему, является важнейшим и незаменимым компонентом биосферы. Обладая плодородием, почва служит в то же время основным средством производства и объектом труда в сельском хозяйстве. Среди большого разнообразия типов почв общепризнанным почвенным эталоном, «царем» почв по образному выражению В.В. Докучаева, является чернозем - основной «кормилец» России. В настоящее время на черноземах, занимающих около 7% территории России, размещено 52% пахотных угодий и про-изводится больше половины всей продукции растениеводства (Щербаков, 2000).
Центральное Черноземье, расположенное в центре Русской равнины, является важнейшим земледельческим регионом России. Большая часть территории (83,3%) расположена в пределах лесостепной природной зоны и меньшая (16,7%, юг Воронежской и юго-восток Белгородской областей) - в степной. Главным природным богатством региона являются почвенные ресурсы, более чем на 80% представленные черноземами. В расчете на единицу площади здесь производится сельскохозяйственной продукции значительно больше, чем в других областях. Так, при наличии около 8% всей пашни страны в регионе про-изводится 12,2% зерна, около 16% семян подсолнечника и плодово-ягодной продукции, больше половины сахарной свеклы Российской Федерации (Агро-экологическое состояние черноземов ЦЧО, 1996, с. 294).
Несмотря на свое природное совершенство, черноземы региона претерпе
вают значительные, нередко негативные, изменения в процессе их длительного
сельскохозяйственного использования. Последнее столетие отличалось наибо
лее резким усилением антропогенного воздействия на почвенный покров чер
ноземной зоны. В ходе него неоднократно возрастала агрогенная и техногенная
нагрузка на черноземы: механизация и химизация, орошение и интенсифика-
17» ция, загрязнение и деградация. На больших территориях неоднократно меня-
лись режимы использования и функционирования черноземов, коренным образом перекраивалась территориальная структура агролаидшафта (Щербаков, Васенев, 2000).
Современный уровень реального плодородия черноземов ограничивается целым рядом деградационных процессов, обусловленных влиянием антропогенных факторов: активизацией эрозии, выпахиванием, потерей гумуса и обменных оснований, подкислением, появлением и расширением ареалов с высокой концентрацией химических и биологических загрязнителей при сильном снижении буферности почв к импактным технологическим нагрузкам.
Большую тревогу вызывает установленное многими исследованиями ухудшение физических свойств и режимов длительно распахиваемых черноземов, что проявляется в неблагоприятных изменениях их структурно-агрегатного состава, заметном уплотнении почвенной массы, изменении качественных и количественных характеристик порового пространства, уменьшении основных видов влагоемкости и водопроницаемости (Вершинин, Ревут, 1953; Ника-норова, 1953, Адерихин, I960, 1963, 1979, 1987; Большаков, 1961; Афанасьева, 1966, 1974; Кузнецова, 1967, 1979; Легеня, 1968; Коковина, 1974; Бондарев, Медведев, 1980; Медведев, 1982, 1988; Ахтырцев, Лепилин, 1985, 1987, 1991, 2001; Королев, 1989, 1991, 1997-2002; Сапожников, 1989, 1994; Бондарев, 1990, 1994; Козловский, Чаплин, 1994; Агроэкологическое состояние черноземов ЦЧО, 1996; Бондарев, Кузнецова, 1998, 1999 и др.).
В практике сельского хозяйства часто недооценивается значение физических параметров почвы, и плодородие ее увязывается, главным образом, с наличием питательных элементов. Между тем, уже с середины XIX столетия было установлено, что нельзя повысить плодородие почв, прежде всего черноземов, не обеспечив растения оптимальным количеством воды, воздуха и тепла (Gardner, 1977, 1986). Не случайно основоположник генетического почвоведения В.В. Докучаев, характеризуя различные почвенные зоны, назвал черноземные области России «царством физиации», подчеркивая при этом, что здесь, прежде всего, нужно заботиться о восстановлении «... нарушенной неумелой
культурой физики почв и к возможно полному использованию небогатой и, главное, капризной степной влаги» (Избр. соч., Т. 2, 1949, с. 400).
Черноземы и сегодня в целом обладают высоким потенциальным плодородием, реализации которого мешает в первую очередь их неблагоприятный режим влажности в период произрастания сельскохозяйственных культур. Для предупреждения имеющихся негативных изменений пахотных черноземов и поддержания их физических показателей в оптимальном интервале значений необходимо всестороннее и систематическое изучение физических свойств и режимов основного «кормильца» России. Особую актуальность при этом приобретает достоверная количественная оценка изменений показателей физического состояния черноземов под воздействием распашки, удобрений и мелиорации. Практически не изученным остается вопрос о скорости изменений физических показателей плодородия пахотных черноземов в условиях различного антропогенного воздействия и в связи с концепцией иерархии уровней структурной организации почвы. Этими обстоятельствами диктуется необходимость дальнейших углубленных исследований закономерностей изменений физических свойств черноземов в условиях интенсивного земледелия.
Цель исследований. Охарактеризовать современное физическое состояние черноземов центра Русской равнины на подтиповом уровне и количественно оценить изменение их основных физических параметров в условиях различного антропогенного воздействия.
Задачи:
Изучить особенности физического состояния целинных черноземов на подтиповом уровне.
Выявить изменение физических показателей основных подтипов черноземов под воздействием распашки и дать их количественную оценку.
Изучить влияние различных доз органических и минеральных удобрений на физическое состояние черноземов.
Установить влияние продолжительности сельскохозяйственного использования черноземов на их основные физические параметры.
Выявить изменение физических показателей плодородия черноземов в орошаемом земледелии.
Уточнить и дополнить критерии оценки физического состояния агро-черноземов и разработать оценочную шкалу основных физических показателей корнеобитаемого слоя изучаемых почв.
Научная новизна работы.
Впервые на основе профильно-объемного способа количественного выражения водно-воздушных показателей установлены закономерности изменения физических свойств черноземов в генетически сопряженном (зональном) ряду на подтнповом уровне и в системе целина (многолетняя залежь) - пашня разной длительности использования - пашня различного срока орошения.
Выявлены особенности изменения основных структурных уровней организации преобладающих подтипов черноземов под влиянием антропогенных факторов.
На основе сравнительно-аналитических исследований черноземов региона и с использованием современных методов вариационной статистики проведена математическая обработка основных физических параметров и рассчитана степень достоверности их изменений в почвах под влиянием распашки и последующего длительного сельскохозяйственного использования в условиях различного антропогенного воздействия.
Предложена система количественных показателей, характеризующих физическое состояние пахотных черноземов, и установлены почвенно-генетические и географические закономерности их изменения.
Установлены средние значения и статистически вероятные пределы колебаний основных физических и водно-физических показателей исследуемых подтипов черноземных почв.
Вскрыты причины и механизм трансформации основных форм почвенной влаги черноземов под влиянием антропогенных факторов.
Защищаемые положення. На защиту выносятся следующие методологические, теоретические и практические положения по характеристике и количественной оценке современного физического состояния черноземов центра Русской равнины на подтиповом уровне и в системе целина (многолетняя залежь) - пашня разной длительности использования - пашня различного срока орошения:
Современному черноземообразователыюму процессу, протекающему на фоне мощной антропогенной нагрузки и относительно однотипного воздействия ведущего фактора - биологического, свойственна хорошо выраженная тенденция однонаправленного изменения и постепенного сближения (сглаживания различий) показателей физического состояния черноземов на подтиповом уровне.
Физические свойства основных подтипов черноземов региона при использовании в пашне изменяются в сторону ухудшения в течение первых 45 -50 лет их сельскохозяйственного использования, после чего приобретают относительно устойчивое (квазиравновесное) состояние на достаточно высоком уровне в соответствии с новым режимом веществ и энергии в сформировавшихся агроценозах.
Длительное сельскохозяйственное использование черноземов обусловливает различный характер изменений основных структурных уровней их организации: чем выше иерархический уровень, тем существеннее изменения почв под влиянием антропогенных факторов.
Оценочная шкала показателей физического состояния черноземов на основных иерархических уровнях их структурной организации, позволяющая дифференцировать мероприятия по сохранению и улучшению физических свойств почв в производственных условиях в соответствии с различиями их реальных и оптимальных значений.
Практическое значение работы. Полученные новые данные о количественных изменениях агрофизических показателей плодородия черноземов име-
ют большое значение для познания характера их антропогенной эволюции, для разработки научно обоснованного прогноза их изменения под влиянием естественных и антропогенных факторов. Результаты работы могут быть использованы для дальнейшего совершенствования и уточнения комплекса мероприятий по рациональному использованию и охране черноземов региона и для разработки современной стратегии природопользования на длительную перспективу. Статистически обработанные количественные показатели физического состояния черноземов могут быть также использованы при составлении земельного кадастра, проведении работ по бонитировке и мониторингу почв.
Основные теоретические положения и результаты исследований используются в лекциях по дисциплинам «Почвоведение», «Физика почвы», «Гидрология почв», при проведении семинарских, лабораторно-практических занятий, учебных и производственных полевых практик, при выполнении курсовых и дипломных работ на биолого-почвенном факультете Воронежского госуниверситета, а так же в лекционных курсах «Почвоведение» на геологическом факультете ВГУ, «Земледелие с основами почвоведения» и «Почвоведение с основами геологии» на агрономическом факультете Воронежского государственного агроуниверситета. Материалы диссертации переданы и реализуются в практической работе Центрально-Черноземного филиала ФГУП «Госземкада-стрсъемка» - ВИСХАГИ, ОАО «ЦЧОНИИгипрозем» и Воронежской гидрогео-лого-мелиоративной партии - филиала ФГУ «Управление мелиорации земель и сельскохозяйственного водоснабжения по Воронежской области».
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и публиковались в материалах VII, VIII Всесоюзных съездов почвоведов (Ташкент, 1985; Новосибирск, 1989), II - IV съездов почвоведов России (С. Петербург, 1996; Суздаль, 2000; Новосибирск, 2004), Международных конференций «Проблемы антропогенного почвообразования» (Москва, 1997), «Современные проблемы земледелия и экологии» (Курск, 2002), «Модели и технологии оптимизации земледелия» (Курск, 2003), «Черноземы Центральной Рос-
сии: генезис, география, эволюция» (Воронеж, 2004), «Агроэкологическая оптимизация земледелия» (Курск, 2004), Всесоюзных и Всероссийских конференций (Полтава, 1983; Ленинград, 1986; Днепропетровск, 1990; Москва, 1998, 2003), региональных научно-практических конференций (Уфа, 1982; Владивосток, 1987; Воронеж, 1989, 1996; Днепропетровск, 1992), научных сессий ВГУ разных лет.
По теме диссертации опубликовано 57 работ, из них наиболее важных -38, в том числе 3 монографии (в соавторстве) и 5 работ в периодических изданиях, соответствующих списку ВАК.
Работа выполнена на кафедре почвоведения и агрохимии Воронежского государственного университета, коллективу которой автор выражает искреннюю признательность.
Личный вклад автора в реализацию поставленной цели заключался в разработке программы и методики исследований, организации и проведении экспедиционных работ, выполнении значительной части полевых и лабораторных исследований почв, обработке и интерпретации аналитических данных, теоретическом обобщении личных и литературных материалов, формулировке научных положений и выводов. Для статистической обработки показателей физического состояния целинных черноземов типичных использованы, наряду с личными материалами, данные А.Ф. Большакова (1961) и Е.А. Афанасьевой (1966).
11 , *
Общие и региональные закономерности географического распространения черноземов
Особенности климата Центрального Черноземья обусловлены в основном чередованием вторжений влажных морских воздушных масс атлантического происхождения и сухого континентального воздуха, притекающего со стороны Арктики и Средней Азии. Из-за значительной протяженности территории с запада на восток отмечается существенная разница в повторяемости воздушных масс разного происхождения: атлантические воздушные массы наблюдаются в 1,5-2 раза чаще на западе, чем на востоке. Поэтому в различных частях Центрального Черноземья климатические контрасты весьма заметны.
В целом климат исследуемой территории умеренно-континентальный с довольно жарким летом и холодной зимой. Общая континентальность возрастает с севера-запада на юго-восток.
Обобщая имеющиеся литературные данные (Шипчинский, 1929, 1931; Другова, 1935; Алисов, 1949; Костин, 1951-1953; Галахов, 1952; Агроклиматический справочник ..., 1958; Адерихин, Костин и др., 1961; Атлас Воронежской области, 1968; Атлас Курской области, 1968; Агроклиматические ресурсы ..., 1972; Адерихин, Вельских, Костин и др., 1976; Климатические ресурсы ..., 1978), нетрудно заметить, что климатические показатели в пределах Центрального Черноземья неодинаковы и существенно меняются как с севера на юг, так и с запада на восток.
Годовое количество суммарной солнечной радиации изменяется от 90 ккал на один см горизонтальной поверхности на северо-западе региона до 103 ккал/см на юго-востоке. Самым теплым месяцем в году во всех районах является июль (+19 + +22С), самым холодным - январь (-11 ч- -8,5С). Средняя годовая температура воздуха изменяется от +4С на севере региона до +6,5С на юго-востоке.
Продолжительность периода с устойчивой средней температурой выше +5С колеблется от 175 дней на севере региона до 200 дней на юге. Соответственно изменяется и число дней с активными температурами (+10С и выше): их не более 140 на севере и 160 на юге. Сумма среднесуточной температуры +10С и выше повышается с северо-запада на юго-восток от 2300С до 3000С.
Атмосферные осадки на описываемой территории определяются, главным образом, циклонической деятельностью. Для региона в целом характерна значительная неравномерность, пятнистость в распределении атмосферных осадков при общем убывании среднегодовых их сумм от 550-640 мм в северозападных районах до 460-435 мм в юго-восточных. Из годового количества осадков на холодный период приходится примерно 30-35%, а на теплый - 65-70%. Летние осадки выпадают в виде ливней, нередко очень высокой интенсивности. Зимние осадки выпадают часто, но в небольшом количестве.
На общий характер распределения атмосферных осадков в пределах исследуемой территории заметное влияние оказывают особенности рельефа и других природных факторов. Так, количество осадков возрастает в среднем на 19% на западных склонах возвышенностей и уменьшается на 23% на восточных склонах по сравнению с равниной (Климатические ресурсы ..., 1978). Лесные массивы также заметно изменяют основные климатические условия. Они понижают температуру воздуха и повышают количество осадков. Не случайно Н.А. Другова (1935) отмечает, что вдоль левого берега р. Дона наблюдается полоса с несколько повышенной годовой суммой осадков за счет наличия лесов.
Очень важным климатическим показателем, увязывающим количество выпадающих осадков с расходом влаги путем испарения, является гидротермический коэффициент (ГТК). В пределах Липецкой и Курской областей ГТК=1,1-1,3, что указывает на незначительно засушливые условия. В пределах Тамбовской области ГТК=0,95-1,1 (недостаточные условия увлажнения). ГТК территории Белгородской и Воронежской областей изменяется от 0,9 до 1,1, и они относятся к незначительно засушливой зоне (Климатические ресурсы..., 1978).
Следует отметить, что основные климатические показатели в пределах региона характеризуются большой неустойчивостью. Так, годовая сумма осадков для Курска может достигать в отдельные годы 800 мм и более, в другие же -снижаться до 360 мм. На территории Воронежской области амплитуда колебания осадков составляет 250-900 мм (Костин, 1952; Климатические ресурсы..., 1978).
В регионе часто бывают засухи и суховеи, причем повторяемость их возрастает с северо-запада на юго-восток.
Итак, климат Центрального Черноземья неоднороден и закономерно изменяется с северо-запада на юго-восток в сторону повышения температуры, уменьшения количества осадков, увеличения испаряемости, ухудшения водного режима почв. Это позволяет выделить на изучаемой территории целый ряд районов, различающихся по своим климатическим условиям. Впервые такое районирование было проведено А.В. Шипчинским (1929), а позднее Б.П. Алисовым (1949) и СИ. Костиным (1953).
СИ. Костин (1953) в пределах Центрального Черноземья выделил две климатические зоны - лесостепную и степную. Границей между ними служит изолиния, соединяющая места с показателем увлажнения 0,9 (Валуйки - Лиски - Борисоглебск). Каждая из климатических зон делится на ряд районов.
Определенный интерес представляет также схема климатических районов ЦЧО, предложенная авторским коллективом под руководством А.П. Щербакова и И.И. Васенева (Агроэкологическое состояние черноземов ЦЧО, 1996, с. 18 -20). В результате применения метода сравнения внутригруппового и межгруппового сходства климатических параметров, определяющих в основном гидротермические режимы почв, была обоснована целесообразность выделения пяти климатических районов (рис. 1): двух на севере региона - Северо-западный и Северо-восточный (граница по долине р. Воронеж); двух в центральной части -Западный и Восточный (граница по долине р. Дон) и одного на крайнем юго-востоке - Южный.
Трансформация элементарных почвенных частиц и микроагрегатов
В опытах применялись минеральные удобрения в виде аммиачной селитры, гранулированного суперфосфата и калийной соли. Высевались районированные сорта и гибриды сельскохозяйственных культур, агротехника возделывания которых была общепринятой для зоны.
Влияние орошения на физические свойства черноземов изучалось нами в разные годы в производственных условиях. Объектами исследований были наиболее распространенные разновидности черноземов обыкновенных (юго-восточные районы Воронежской области) и типичных (Добринский район Липецкой области, Новоусмапскнй и Хохольский районы Воронежской области) (рис. 4). В качестве контроля использовались соответственно аналогичные разновидности черноземов неорошаемых участков, расположенных в непосредственной близости от орошаемых. По возможности учитывалась идентичность сельскохозяйственного использования контрольных и орошаемых участков: обычно это были посевы многолетшгх трав, в основном люцерны. Также учитывалась и длительность орошения, меняющаяся в пределах от 5 до 15 лет и более.
Повсеместно орошение проводилось способом дождевания водами рек и местного стока, накапливаемых в небольших водохранилищах (прудах). Поливные нормы составляли в среднем 350-450м3/га, а оросительные нормы колебались от 700 до2500м3/га. Минерализация оросительных вод в период поливов составляла 0,28-0,85 г/л, химический состав их в основном сульфатно-гидрокарбонатный с преобладанием среди катионов кальция (1,3-4,6 мг-экв/л) и натрия (1,0-4,4 мг-экв/л). Концентрация хлора, как правило, незначительна (0,2-0,4мг-экв/л). Воды характеризуются нейтральной или слабощелочной реакцией. Также следует отметить, что минерализация вод в течение вегетационного периода возрастает от весны к концу лета и ее качество ухудшается за счет увеличения содержания натрия, хлоридов и сульфатов.
Для характеристики физического состояния исследуемых черноземов применялись в основном общепринятые методы (Вадюнина, Корчагина, 1986; Растворова, 1983; Долгов, 1970; Воронин, Кузнецов, 1970; Агрофизические методы ..., 1966), часть из которых были модифицированы автором. Расчетными методами определяли неактивную пористость, суммируя объем пор, занятых прочно- и рыхлосвязанной водой, объем пор, занятых водой капиллярноразоб-щенной и капиллярносвязанной, соответственно по разнице ВРК и ВЗ, НВ и ВРК. Экспериментальный цифровой материал был статистически обработан (Дмитриев, 1972).
Основные статистические характеристики, используемые нами, были следующие: п - число определений; М - среднее арифметическое; а - среднее квадратическое отклонение; m - ошибка среднего арифметического; V - коэффициент вариации, % ; V0)95 - показатель относительного вероятного разнообразия для вероятности 0,95, % ; Ро,95 - показатель относительной вероятной погрешности, % ; Mmjn и Мтах (Мд.г.) - возможные минимальные и максимальные значения (доверительные границы) генерального среднего арифметического при вероятности 0,95.
Почвенные образцы отбирались в трехкратной повторності! десятисантиметровыми слоями с поверхности до глубины 150 см через каждые 10 см. Отдельно отбирались образцы для структурно-агрегатного анализа в пятикратной повторності! с глубин 0-20 и 40-50 см. Непосредственно в полевых условиях и в отобранных почвенных образцах определяли наибольшую (в общепринятой терминологии - наименьшую) влагоемкость (НВ) методом заливаемых площадок с отбором почвенных проб на влажность через трое суток, плотность сложения - буровым методом с использованием цилиндров И.М. Литвинова при «стандартной» влажности почв, соответствующей НВ, водопроницаемость -методом рам с использованием прибора ПВН-ОО, плотность твердой фазы почвы - пикнометрическим методом, гранулометрический состав - методом пипетки с обработкой почвы пирофосфатом натрия, микроагрегатный состав -по Н.А. Качинскому, структурно-агрегатный состав - по Н.И. Саввинову, максимальную гигроскопическую влажность (МГ) методом А.В. Николаева, почвенную влажность завядания растений (ВЗ) - методами проростков по С.И.Долгову или расчетным с применением коэффициента 1,5; почвенную влажность разрыва капиллярных связей (ВРК) - методами СИ. Долгова, В.Б. Мацкевич или расчетным. Другие физические показатели: фактор структурности, показатель противоэрозионной стойкости почвы (ППС), общую и дифференциальную пористости, полную водовместимость (в общепринятой терминологии — полную влагоемкость (ПВ)), диапазон активной (продуктивной) влаги (ДАВ), диапазон оптимально-продуктивной влаги (ДОПВ), воздухо-емкость при влажности почвы, соответствующей НВ (Вцв), определялись расчетными методами. Все определения проводились в двукратной повторності! и пересчитаны на почву, высушенную при 105С.
При изучении особенностей физического состояния черноземов на под-типовом уровне и количественной оценке их изменений под влиянием естественных и антропогенных факторов нами применялся профильно-объемный способ выражения водно-воздушных показателей, предусматривающий использование при расчетах плотности сложения. В связи с этим важное значение приобретают методические аспекты определения плотности сложения почв.
Хорошо известно, что плотность является весьма динамичным показателем, зависящим как от природных свойств почвы, так и от вида угодий и особенностей их использования. Величина плотности почвы, особенно тяжелого гранулометрического состава, при прочих равных условиях в сильной степени зависит от ее естественной влажности (Дмитриев, 1961; Роде, 1969; Атаманюк, 1970; Olesen, 1973; Королев, 1974, 1979; Magor, Kar, Varade, 1979; Орешкина, 1981; Слесарев, Юшкевич, 1982; Позняк, 1985; Розанов и др., 1985; Березин, 1990, 1995; Дмитриев, Макаров, 1993 и др.).
Особенности изменения основных показателей структурного и физического состояния черноземов
Важным физическим показателем является плотность почв, которой, в отличие от плотности твердой фазы, свойственна большая изменчивость. Учитывая, что среди многих свойств, оказывающих существенное влияние на плотность почв, особенно тяжелого гранулометрического состава, имеет влажность, мы проводили полевые определения этого показателя в изучаемых черноземах при «стандартной» влажности, соответствующей НВ.
В верхней части гумусового горизонта плотность близка к 1,0 г/см , нередко снижаясь до 0,9 г/см3 в слое 0-10 см. Вниз по профилю черноземов плотность сложения закономерно возрастает до 1,34—1,43 г/см3. При этом более существенное ее увеличение наблюдается в черноземах обыкновенных, в связи с чем с глубины 80-90 см и ниже различия по плотности изучаемых почв статистически достоверны (табл. 6, рис. 9, прилож. 4).
В тесной зависимости от плотности твердой фазы и особенно плотности сложения черноземов находится их общая пористость, величина которой в слое 0-10 см достигает 61,7-62,9% и постепенно уменьшается с глубиной до 47,3-50,2% в почвообразующей породе. Основные показатели дифференциальной пористости изучаемых почв свидетельствуют о весьма оптимальных соотношениях пор аэрации и пор, занятых различными формами почвенной влаги, что является следствием высокой гумусированности, агрегированности и микро-оструктуренности целинных черноземов. Так, неактивная пористость в пределах почвенного профиля не превышает 12-15%, в то время как активная пористость в верхней части гумусового горизонта равна 45-51% и снижается до 32-38% в слое 140-150 см. При этом весьма значительная доля активной пористости приходится на поры аэрации при влажности почвы, соответствующей НВ (Вцв)- 18-21% в типичных черноземах и 12—17% в обыкновенных черноземах (табл. 6, рис. 10, прилож. 4). Важной особенностью порового пространства является его относительно стабильное состояние, что в итоге определяет весьма благоприятный водно-воздушный режим почв.
Наиболее оптимальными показателями общей и дифференциальной пористости обладают целинные типичные черноземы. В то же время достоверность различий в изучаемых почвах установлена по пористости общей лишь только с глубины 80-90 см и ниже, а по пористости активной и ВцП с глубины 40-50 см и ниже.
На основании статистических показателей, характеризующих вариабельность рассмотренных нами основных физических свойств почв, их можно расположить в таком возрастающем ряду: плотность твердой фазы, плотность сложения и общая пористость, активная пористость и, наконец, В1Ш. При этом последний показатель имеет максимальную изменчивость в обыкновенных черноземах.
Водно-физические свойства, определяя в значительной степени плодородие изучаемых черноземов, также характеризуются вполне благоприятными показателями. Их можно условно разделить на две группы. К первой относятся МГ и ВЗ. Их величина зависит в основном от удельной поверхности почвы, которая в свою очередь определяется гранулометрическим составом (особенно количеством тонкодисперсных частиц) и в значительно меньшей степени содержанием гумуса (Velayutham, Raj, 1971; Verstraeten, Livens, 1971; Turski, 1974; Mungarc, 1983). Вторая группа включает BPK, НВ и ПВ (полную водо-вместимость или полную влагоемкость в общепринятой терминологии), которые находятся в тесной зависимости не только от удельной поверхности почв, но и от их структурного состояния и характера сложения (Heinonen, 1974; Velayutham, Raj, 1977; Wienckowski-Krause, 1979; Rilev Hugh, 1983). В целях более объективной оценки водно-физических показателей их расчет мы проводили в процентах как от массы почвы, так и от ее объема, что позволяет снивелировать различия в плотности сложения различных генетических горизонтов и подтипов черноземов. Такой сопряженный профильно-объемный способ количественного выражения физических показателей (прежде всего водных и воздушных) наиболее целесообразен, по нашему мнению, для полифазных природных систем, какой и является почва. Изучаемые черноземы обладают способностью удерживать большое количество влаги в прочносвязанном недоступном для растений состоянии. Величина МГ в верхней части профиля (0-10 см) достигает 11,2-13,2% от массы почвы и с глубиной уменьшается до 7,6-10,1%. С учетом плотности сложения количественные показатели МГ и закономерности их профильного распределения существенно изменяются: этот показатель в слое 0-10 см равен 9,5-12,7% от объема почвы и вниз по профилю или мало изменяется, или постепенно увеличивается, достигая 9,6-14,6% в слое 140-150 см. ВЗ, рассчитанная к массе почвы, уменьшается сверху вниз от 14,8-19,8 до 9,8-15,1%, в то время как приведенная к объелгу почвы, варьируя соответственно в пределах от 12,6-19,0 до 12,3-21,9% (по усредненным данным от 16,7-18,3 до 16,6-21,2%), обычно заметно возрастает. Запас непродуктивной влаги возрастает от 81-99 мм в верхнем полуметре до 242-308 мм в полутораметровой толще. Верхние пределы этого показателя наблюдаются в обыкновенных черноземах, что обусловлено не только их более тяжелым гранулометрическим составом, но и повышенной уплотненностью (табл. 7, 8, прилож. 5).
Важными водно-физическими показателями почв служат НВ и ВРК. По разнице между НВ и ВЗ, как известно, рассчитывается диапазон активной (продуктивной) влаги (ДАВ), который характеризует наибольшее возможное количество доступной для растений влаги в почве. В то же время оптимальная подвижность влаги наблюдается лишь в интервале НВ - ВРК, который по аналогии с ДАВ мы называем диапазоном оптимально-продуктивной влаги (ДОПВ). Именно этот показатель количественно характеризует наиболее ценную в агрономическом отношении почвенную влагу.
Черноземы обыкновенные длительно орошаемые
Изучаемые черноземы обладают способностью удерживать большое количество влаги в прочносвязанном недоступном для растений состоянии. Величина МГ в верхней части профиля (0-10 см) достигает 11,2-13,2% от массы почвы и с глубиной уменьшается до 7,6-10,1%. С учетом плотности сложения количественные показатели МГ и закономерности их профильного распределения существенно изменяются: этот показатель в слое 0-10 см равен 9,5-12,7% от объема почвы и вниз по профилю или мало изменяется, или постепенно увеличивается, достигая 9,6-14,6% в слое 140-150 см. ВЗ, рассчитанная к массе почвы, уменьшается сверху вниз от 14,8-19,8 до 9,8-15,1%, в то время как приведенная к объелгу почвы, варьируя соответственно в пределах от 12,6-19,0 до 12,3-21,9% (по усредненным данным от 16,7-18,3 до 16,6-21,2%), обычно заметно возрастает. Запас непродуктивной влаги возрастает от 81-99 мм в верхнем полуметре до 242-308 мм в полутораметровой толще. Верхние пределы этого показателя наблюдаются в обыкновенных черноземах, что обусловлено не только их более тяжелым гранулометрическим составом, но и повышенной уплотненностью (табл. 7, 8, прилож. 5).
Важными водно-физическими показателями почв служат НВ и ВРК. По разнице между НВ и ВЗ, как известно, рассчитывается диапазон активной (продуктивной) влаги (ДАВ), который характеризует наибольшее возможное количество доступной для растений влаги в почве. В то же время оптимальная подвижность влаги наблюдается лишь в интервале НВ - ВРК, который по аналогии с ДАВ мы называем диапазоном оптимально-продуктивной влаги (ДОПВ). Именно этот показатель количественно характеризует наиболее ценную в агрономическом отношении почвенную влагу.
Величина ВРК максимальных значений достигает в верхней части гумусового горизонта целинных и залежных черноземов, составляя в среднем 34,2-35,6% от объема почвы. Вниз по профилю почв этот показатель плавно уменьшается до 24,4-28,4% в слое 140-150 см. Что касается величины НВ, то она, рассчитанная к объему почвы, варьирует в пределах от 40,0-49,1% (наилучшая в соответствии с оценочной шкалой Качинского, 1970) до 31,1-37,6%. Вследствие этого максимальные значения ДАВ наблюдаются в слое 0—10 см: 26,1-28,7% (при доверительных границах 21,5-31,9%), а минимальные - в нижней части профиля: 14,1-15,8% (при доверительных границах 11,3-20,3%). ДОПВ уменьшается от 8,8-9,8% (доверительные границы 7,9-11,0%) в слое 0-10 см до 7,0-8,0% (доверительные границы 6,0-10,1%) на глубине 140-150 см. Максимально возможный запас продуктивной влаги в изучаемых черноземах изменяется в довольно узких пределах и составляет в слоях 0-30 см 74-78 мм, 0-50 см - 112-119 мм, 0-ЮОсм - 196-213 мм и 0-150 см - 271-296 мм. Запас оптимально-продуктивной влаги заметно меньше и изменяется по соответствующим слоям в пределах 26, 41-42, 78-79 и 115-117 мм (табл. 7, 8, рис. 11). При этом вниз по профилю почв отношение ДОПВ к ДАВ постепенно увеличивается от 0,34 до 0,51, что свидетельствует о расширении интервала НВ - ВРК в этом же направлении. Иначе говоря, в верхней части гумусового горизонта целинных черноземов, обладающих прекрасной структурой и высокой межагрегатной пористостыо, величина ВРК гораздо ближе к НВ по сравнению с нижележащими горизонтами. Из этого следует, что преобладающая часть продуктивной влаги в хорошо оструктуренных гумусовых горизонтах черноземов является малоподвижной и может усваиваться растениями путем непосредственного контакта с их корневыми системами (Большаков, 1961). В то же время в таких условиях резко сокращаются непроизводительные потери влаги почвами. Из сказанного можно сделать вывод о том, что в изучаемых черноземах заметно меняется соотношение основных форм подвешенной влаги, выделяемых А.А. Роде (1965): вниз по профилю количество влаги вігутриагрегатной капиллярно-подвешенной уменьшается, а пленочно-подвешенной - увеличивается.
Интегрирующим показателем структурного состава и основных физических свойств почв является их водопроницаемость. Скорость водопроницаемости рассматриваемых почв, особенно черноземов типичных, характеризуется относительно невысокой динамичностью в пространстве и во времени и варьирует от 5,6-6,3 мм/мин (доверительные границы 4,4-8,2 мм/мин) в первый час до 3,3-3,7 мм/мин (доверительные границы 1,7-5,7 мм/мин) в шестой час наблюдений. Отношение максимальных величин водопроницаемости к минимальным равно 1,7 в типичных черноземах и 1,4-2,6 (при среднем значении 1,7) в обыкновенных черноземах. Всего за шесть часов наблюдений целинные черноземы способны усвоить 1356-1568 мм влаги, в том числе за первый час -332-379 мм, что в соответствии с оценочной шкалой водопроницаемости почв Н.А. Качинского (1970) является наилучшей (табл. 9, рис. 12).
Таким образом, целинные и залежные черноземы типичные и обыкновенные тучные и среднегумусные тяжелого гранулометрического состава характеризуются высокой микроагрегированностыо по всему профилю, прекрасной агрономически ценной структурой в пределах первого полуметра, благоприятными показателями основных физических и водно-физических свойств. Важной особенностью порового пространства в них является оптимальное соотношение пор аэрации и пор, занятых различными формами почвенной влаги, а также относительно стабильное их состояние. Наиболее благоприятное физическое состояние свойственно черноземам типичным.
