Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Минералогический состав и свойства почв лесостепи средне-русской возвышенности и их антропогенная трансформация

ВАК РФ 03.00.27, Почвоведение

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата географических наук, Мотяшов, Михаил Барович, Москва

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ НАУК

ПОЧВЕННЫЙ ИНСТИТУТ им.В.В.ДОКУЧАЕВА

МОТЯШОВ МИХАИЛ БАРОВИЧ

МИНЕРАЛОГИЧЕСКИЙ СОСТАВ И СВОЙСТВА ПОЧВ ЛЕСОСТЕПИ СРЕДНЕ-РУССКОЙ ВОЗВЫШЕННОСТИ И ИХ АНТРОПОГЕННАЯ ТРАНСФОРМАЦИЯ (НА ПРИМЕРЕ ПОЧВ ОРЛОВСКОЙ ОБЛАСТИ)

Специальность 03.00.27 - почвоведение

Диссертация на соискание ученой степени кандидата географических наук

<4,

Москва - 1999

- г -

СОДЕРЖАНИЕ

Введение ........................................................... 5

Глава I. Литературный обзор по истории изучения трансформации минералогического состава почв под влиянием антропогенных факторов...................................... 11

1.1. Профили глинистого материала основных типов почв лесостепной зоны ..................................... 11

1.2. Преобразование минералогического состава почв под влиянием антропогенных воздействий ................... 13

1.3. Агрогенное преобразование профилей илистого материала почв лесостепной-степной зон ................... 17

1.4. Влияние распашки на минералогический состав тонкодисперсных фракций почв лесостепной-степной зон ...... 19

1.5. Влияние лесной растительности на минералогический состав почв.......................................... 24

Глава 11. Объекты и методы исследования ........................ 26

Глава III. Природные условия района исследования ................ 38

3.1. Географическое положение, рельеф, геоморфология и гидрология ........................................... 38

3.2. Климат............................................... 41

3.3. Геологическое строение и почвообразующие породы ...... 44

3.4. Растительность ....................................... 49

3.5. Животный мир......................................... 52

3.6. Почвы и почвенный покров ............................. 53

Глава IV. Минералогический состав и свойства основных типов почв

Орловской области.................................... 55

4.1. Черноземы выщелоченные ............................... 55

- з -

4.1.1. Морфостроение ........................................ 55

4.1.2. Свойства............................................. 60

4.1.3. Минералогический состав илистых фракций ............... 64

4.2. Черноземы оподзоленные ............................... 72

4.2.1. Морфостроение ........................................ 72

4.2.2. Гранулометрический состав .........■................... 77

4.2.3. Минералогический состав илистых фракций.............. 79

4.3. Серые лесные почвы ................................... 86

4.3.1. Морфостроение ........................................ 86

4.3.2. Гранулометрический состав ............................ 91

4.3.3. Минералогический состав .............................. 92

4.3.3.1. Минералогический состав илистых фракций .............. 92

4.3.3.2. Минералогический состав фракции крупной пыли.........100

4.4 Общая тенденция изменений тонкодисперсного вещества

почв Орловской области ..............................102

Глава V. Закономерности географического распределения профилей глинистого материала почв Средне-Русской

возвышенности........................................109

Глава VI. Трансформация глинистых минералов черноземов выщелоченных под влиянием различных комбинаций удобрений

в условиях столетнего полевого опыта .................115

6.1. Общая характеристика столетнего опыта Лебедянцева ....115

6.1.1. История становления б.Шатиловской опытной станции ....115

6.1.2. Характеристика почвенного покрова б. Шатиловской опытной станции ......................................116

6.1.3. Характеристика длительного стационарного опыта Лебедянцева..........................................118

6.1.4. Характеристика почвенного покрова стационара

Лебедянцева..........................................121

6.2. Общие тенденции изменения агрохимических свойств пахотных и подпахотных горизонтов почв опыта в течение

ста лет ..............................................127

6.2.1. Изменение разных видов кислотности...................127

6.2.2. Подвижный фосфор и калий.............................147

6.2.3. Баланс основных питательных элементов................159

6.3. Гранулометрический состав ............................168

6.4. Варьирование состава глинистых минералов почв в пределах элементарного ареала почвенного покрова........177

6.5. Минералогический состав илистых фракций..............188

6.6. Валовый химический состав............................208

6.7. Резервы калия, кальция и магния ......................210

6.8. Выводы ...............................................215

Глава VII. Влияние лесомелиоративных мероприятий на свойства и

составы черноземов выщелоченных эродированных ........217

7.1. История становления лесоводства б.Шатиловской опытной станции..............................................217

7.2. Морфостроение и свойства черноземов выщелоченных лесомелиоративной катены.............................221

7.2.1. Морфостроение ........................................221

7.2.2. Свойства.............................................227

7.3. Гранулометрический состав............................227

7.4. Минералогический состав илистых фракций..............231

7.5. Выводы ...............................................245

Основные выводы .................................................246

Список литературы ...............................................249

Введение

Петрографо-минералогический состав почв, структурные особенности минералов контролируют практически все фундаментальные свойства почв.

Значение минералогического состава и его антропогенные изменения при проведении различных мероприятий и оценки плодородия почв возрастает в плане долговременных перспектив. Актуальность проблемы увеличивается при происходящем сейчас изменении экономического и правового статуса почвы как объекта производства. Вместе с тем минералогический состав почв является свидетелем произошедших в них изменений, истории развития землепользования и формирования почвенного покрова.

Фундаментальные исследования в области минералогии почв, заложенные в работах И.Д.Седлецкого, Н.И.Горбунова, получили дальнейшее развитие с позиций петрографо-минералогической экологии в работах Б.П.Градусова, Т.А.Соколовой и Н.П.Чижиковой. Современные методологические и научные направления этих работ, являются базовым материалом, на основе которого стало возможным дальнейшее исследование минералогии почв и ее преобразования под влиянием антропогенных факторов, приводящее к изменению свойств почв, важных для плодородия и экологических мероприятий.

Актуальность установления географических закономерностей размещения профилей илистого вещества почв (ПИВП), определяющих их экологические особенности, естественное плодородие и свойства, обуславливается их возрастающей ролью в разработке современных систем землепользования.

Современная антропогенная нагрузка на почвы трансформирует их минералогический состав, приводя к изменению свойств почв и их функционирования. Системный подход к комплексному изучению - различных свойств почв требует детального изучения минералогических составляющих почвенных профилей, особенно изменения их кристаллохимии, ответственной за процессы фиксации, мобилизации и миграции компонентов экосистем.

Особую актуальность имеет проблема сохранения и рационального использования черноземов России, основы которых разрабатывались на исследуемой нами территории И.Н.Шатиловым, высоко почитаемым В.В.Докучаевым. Опыты И.Н.Шатилова послужили экспериментальной базой создания по инициативе П.А.Костычева одной из первых в России опытных станций, директором которой был назначен ученик Д.Н.Прянишникова - А.Н.Лебедянцев.

Основная цель работы: изучить минералогический состав почв лесостепи Средне-Русской возвышенности (на примере Орловской области) , для выявления общих географических закономерностей профилей илистого вещества почв, а также его трансформацию под влиянием антропогенных факторов для поиска устойчивых систем землепользования .

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи.

1. Определить минералогический состав основных типов почв лесостепи Средне-Русской возвышенности.

2. Установить географические закономерности ПИВП основных типов почв лесостепной зоны Средне-Русской возвышенности.

3. Выявить причины и масштабы изменений минералогического состава черноземов выщелоченных под влиянием агрогенных нагрузок.

4. Установить влияние полуторавековой лесомелиорации на ми-

нералогический состав черноземов выщелоченных, оподзоленных эродированных .

5. Наметить принципы организации устойчивых систем землепользования на длительную перспективу.

Основные защищаемые положения.

1. Установить параметры минералогического состава пород, основных типов почв Орловской области и масштабы его трансформации под влиянием длительных естественных и антропогенных воздействий;

2. Поиск систем землепользования с минимальной трансформацией минералогического состава почв.

3. Правомерность проведения исследований влияния антропогенных факторов на основе анализа варьирования состава глинистых минералов почв в пределах элементарных почвенных ареалов лесостепной боны Средне-Русской возвышенности.

4. Установить характер распространения глинистых минералов основных типов почв и почвообразующих. пород лесостепи Средне-Русской возвышенности, с учетом зональности почвенного покрова.

Научная новизна работы.

1. Впервые на не исследованной ранее территории установлены географические закономерности размещения ПИВП основных типов почв лесостепной зоны Средне-Русской возвышенности, и предложены варианты схем размещения глинистых минералов почв и почвообразующих пород. Закономерности заключаются в изменении минералогического состава: для почвообразующих пород с запада на восток, верхних слоев почвы - с северо-запада на юго-восток.

2. Впервые исследована пространственная вариабельность минералогического состава пахотных черноземов выщелоченных в пределах элементарного почвенного ареала (ЭПА) лесостепной зоны и на осно-

ве этого установлены: правомерность проведения исследований влияния антропогенных факторов на изменения минералогического состава почв в результате предложенных систем применения удобрений (длительные стационарные опыты).

3. На основе расчетов резервов элементов питания растений на делянках с различными системами применения удобрений (сочетание минеральных и органических) установлено преимущество периодического внесения фосфоритной муки с целью сохранения на более высоком уровне потенциального плодородия,

4. На основе анализа кристаллохимии и химического состава компонентов пылеватых фракций, предложено выделить дополнительную градацию резервов калия, кальция, магния.

5. Установлено, что наиболее информативными показателями минералогического состава илистой фракции для сопоставления разных

в

систем применения удобрений и обоснования экономической целесообразности, являются количество и структура смектитовой фазы, степень текстурной упорядоченности и содержание тонкодисперсного кварца.

6. Анализ влияния полуторавековых посадок лиственницы на состав и свойства черноземов выщелоченных позволил установить их почво-улучшающие влияния.

Практическая ценность и реализация работы.

1. Установлена тесная связь ПИВП с типами почв. На основе этой закономерности составлены схемы содержания основных минеральных фаз в почвообразующих породах и почвах исследуемой территории.

2. Схемы распределения глинистых минералов в почвах и почвообразующих породах лесостепи Средне-Русской возвышенности могут

быть использованы в прикладных целях при создании прогнозных экологических моделей поведения различных веществ в экосистемах.

3. Выявленные тенденции изменения илисто-минералогических показателей (НМЛ) черноземов выщелоченных под влиянием агрогенных факторов позволили прогнозировать эволюцию потенциального плодородия в зависимости от особенностей систем применения удобрений.

4. Изучение минералогического состава черноземов выщелоченных под лесомелиоративными насаждениями позволяет рекомендовать эти мероприятия без ущерба снижения потенциального плодородия этих почв.

Степень достоверности и обоснованности научных положений и выводов определяется: 1) комплексностью исследования минералогического состава на основе современных принципов диагностики и количественного анализа кристаллохимических особенностей структуры и состояния минералов и смешаннослойных образований; 2) корректным использованием статистических методов обработки данных; 3) проведением исследований в условиях столетних полевых опытов, с учетом структуры почвенного покрова.

Апробация работы. Материалы, вошедшие в диссертацию., докладывались: на научной конференции институтов Орловской области "Биологические основы интенсивного растениеводства" (Орел, 1993); на региональной научно-практической конференции "Внедрение достижений науки в сельскохозяйственное производство и учебный процесс в условиях перехода к рыночной экономике" (Орел, 1995), на втором ежегодном симпозиуме ОФР РАН "Физико-химические основы физиологии растений" (Пенза, 1996), на Всероссийской конференции "Антропогенная деградация почвенного покрова и меры ее предупреждения" (Москва, 1998).

Сердечную благодарность автор выражает своему учителю, наставнику и-научному руководителю доктору наук Чижиковой Н.П., а также зав. лаб. минералогии и микроморфологии почв доктору наук Б.П.Градусову, зав. отделом генезиса и мелиорации засоленных почв доктору наук Н.Б.Хитрову - за консультации и полезные советы при обсуждении данных. Автор приносит благодарность кандидатам наук; В.Г.Небытову - за помощь и консультации при выборе объектов на территории б.Шатиловской опытной станции, П. С.Колтаковой - за консультации по истории длительных опытов стационара А.Н.Лебедян-цева, при сборе фондовых материалов; а также сотрудникам Почвенного института им.В.В.Докучаева за активную помощь и постоянную поддержку.

Глава I. Литературный обзор по истории изучения трансформации минералогического состава почв под влиянием антропогенных факторов

1.1. Профили глинистого материала основных типов почв лесостепной зоны

В почвенно-минералогической литературе сосредоточен огромный материал, по минералогическому составу почв, в особенности их тонкодисперсной части. Изучены: минералогия почвообразующих пород, законы размещения минералов в поверхностной зоне земной коры, направления, механизмы и продукты изменений минералов по почвенному профилю. Эти материалы были проанализированы с помощью выявления роли петрографо-минералогической компоненты в генезисе почв, намечены пути их использования в построении генеральных классификационных схем (Градусов, 1970, 1972 (а,б,в), 1973, 1976, 1990; Градусов, Счастная, Чижикова, 1974; Соколова, 1982, 1985, 1987; Соколова, Таргульян, 1978; Соколова, Таргульян, Смирнова, 1971; Таргульян и др., 1974; Таргульян, Соколова, 1977; Чижикова, 1974, 1984, 1991).

К 70-м годам было разработано понятие "профиль глинистого материала почв" (ПГМП). В это понятие входит характер распределения фракции < 1 мкм по профилю, состав ее компонентов, изменение этих компонентов под влиянием почвообразования, анализ преобразования глинистых минералов почв.

Б.П.Градусовым (1972(а,б), 1973, 1976) был выделен ряд типов профилей глинистого материала почв (10 типов), размещение которых

отражает исторически обусловленные единства тектонико-геологической и биохимической жизни крупных участков суши. Через все современные климатические пояса суши проходят три группы профилей глинистого материала: платформенных типов, денудационного и современного вулканогенного.

Профиль глинистого материала черноземов выщелоченных лесостепной зоны Средне-Русской возвышенности охарактеризован Н.П.Чи-жиковой (Чижикова, 1968, 1974, 1992).

Черноземы, развитые ка лессовидных суглинках и лессах обладают рядом общих черт: а) количество фракции менее 1 мкм колеблется в пределах 25 - 45%; б) илистая фракция имеет равномерное или слабозлювиальное распределение; в) фракция менее 1 мкм полиминеральна; г) преобладают гидрослюды (50 - 601) и сложные неупорядоченные смешаннослойные образования с переменной нормой переслаивания пакетов слюдистого и смектитового типов (35 - 40%), количество хлорита и каолинита в сумме не превышает 10 - 20%..

Минералогический состав серых лесных почв и черноземов опод-золенных Орловской области изучался Н.П.Романовой, Н.П.Чшиковой, Б.П.Градусовым (1982). В этой работе авторы подняли вопрос о генезисе покровных суглинков исследуемой территории.

Анализ минер-алогического состава ила профилей почв, развитых на лессовидных отложениях и подстилающих пород позволил заключить отсутствие генетической связи подстилающих пород и лессовидных отложений. Профили характеризуются слабо элювиальным типом распределения смектитового компонента, наибольшее содержание которого в нижних горизонтах достигает 67% от суммы компонентов в иле. Распределение гидрослюд имеет противоположный характер - максимум этого компонента отмечается в верхней части профиля (48% от суммы

компонентов в иле). Эти материалы получены для северной части Орловской области. Большая часть территории Орловской области не охвачена исследованиями минералогического состава почв.

1.2. Преобразование минералогического состава почв под влиянием антропогенных воздействий

Познание преобразования наиболее активной тонкодисперсной части почв под влиянием все увеличивающи