Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Агрогеохимия мелиорированных торфяных почв северо-восточной части и их рациональное использование

ВАК РФ 03.00.27, Почвоведение

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата биологических наук, Неудачин, Алексей Петрович, Хабаровск

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК

Дальневосточное отделение Институт водных и экологических проблем

На правах рукописи

НЕУДАЧИН Алексей Петрович

АГРОГЕОХИМИЯ МЕЛИОРИРОВАННЫХ ТОРФЯНЫХ ПОЧВ СЕВЕРО-ВОСТОЧНОЙ ЧАСТИ СРЕДНЕАМУРСКОЙ НИЗМЕННОСТИ И ИХ РАЦИОНАЛЬНОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ

Специальность 03.00.27 - почвоведение

Диссертация на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Научный руководитель д.г.-м.н., профессор П.В. Ивашов

Хабаровск — 1998

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ ....................................... 3

ГЛАВА 1. ПРИРОДНЫЕ УСЛОВИЯ РАЙОНА ИССЛЕДОВАНИЙ .......... 7

ГЛАВА 2. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ.................18

2.1. Характеристика объектов исследования ..... 18

2.2. Отделение почвенных растворов. Аналитические приемы и методы..........................27

ГЛАВА 3. ХИМИЧЕСКИМ СОСТАВ ПОЧВЕННЫХ РАСТВОРОВ И ЕГО

СЕЗОННАЯ ДИНАМИКА ............................. 32

3.1. Современные представления о формировании химического состава йШй^Шйк растворов ... 32

3.2. Погодные условия пе^^йй^стационарных

исследований..............................36

3.3. Химический состав почвенных растворов .... 42

3.4. Сезонная динамика химического состава почвенных растворов.......................51

ГЛАВА 4. ХИМИЧЕСКИИ СОСТАВ ДРЕНАЖНЫХ ВОД. КОЭФФИЦИЕНТ

ВОДНОЙ МИГРАЦИИ ............................... 8 6

ГЛАВА 5. ПУТИ РАЦИОНАЛЬНОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ МЕЛИОРИРОВАННЫХ

ТОРФЯНЫХ ПОЧВ................................105

ВЫВОДЫ.......................................116

ЛИТЕРАТУРА...................................119

ПРИЛОЖЕНИЕ...................................133

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Среднеамурская низменность является единственной благоприятной сельскохозяйственной зоной в Хабаровском крае. В первую очередь здесь осваиваются земли, находящиеся неподалеку от промышленных центров. Но в связи с большой заболоченностью - площадь болот на юге

о

края составляет 5800 км (Чаков, 1986) - использование близлежащего аграрного потенциала часто неосуществимо без осушительных работ.

Многолетнее использование мелиоративных систем обнажило ряд проблем, обусловивших снижение урожайности (Худяков и др., 1987). Ключевыми из них являются несовершенство мелиоративных приемов, некритическое перенесение опыта других регионов страны (Степанов, 1985, 1987), недоучет специфики климата, неустойчивость эффективного плодородия и высокая эрозионная уязвимость местных почв (Зархина и др., 1983). Все это приводит к резкому снижению запасов органического вещества торфяных почв вплоть до полного исчезновения органогенного слоя за 2-3 десятилетия интенсивного сельскохозяйственного использования (Руль, Климин, 1986; Климин, 1988; Матрошилов и др., 1989).

Перечисленные проблемы в значительной мере связаны с недостаточной агрогеохимической изученностью торфяников Приамурья в целом, и в частности, слабой разработкой вопросов трансформации в процессе сельскохозяйственного использования химического состава почвенных растворов и дренажных вод, являющихся индикаторами изменений условий миграции и доступности макро - и микроэлементов для культурных растений. Вместе с мигрирующим веществом водные потоки, различные как по интенсивности, так и по направленно-

сти, связывают основные блоки геосистемы и обеспечивают тем самым важнейшие стороны ее функционирования. Именно водная миграция элементов максимально быстро и полно характеризует современную направленность и сущность природных ландшафтно-геохимических процессов функционирования геосистем и их трансформацию под влиянием техногенеза (Аржанова, Елпатьевский, 1990). Это указывает на особую значимость и необходимость изучения трансформации состава различных категорий природных вод в генетически и геохимически сопряженном ряду от атмосферных осадков до стока.

Экологическая роль торфяных почв этим не исчерпывается. Они являются регуляторами водного баланса, служат естественными сорбентами, поглощающими токсические вещества, определяют состав атмосферы, климат и микроклимат и др. (Инишева, 1996) . Следовательно, возникает необходимость в разработке критериев рационального хозяйственного использования торфяных почв, основывающихся на реальном наличии их ценных качеств и природных особенностей.

Цель и задачи работа. Цель работы — выявить закономерности изменения химического состава почвенных растворов торфяных почв при мелиорации и различном сельскохозяйственном использовании.

В процессе исследований решались следующие задачи.

1. Изучить химический состав почвенных растворов целинных и мелиорированных торфяных почв.

2. Исследовать сезонные изменения химического состава почвенных растворов целинной и мелиорированных торфяных почв.

3. Определить направленность изменения химического состава вод в ряду атмосферные осадки - почвенные растворы - дренажные воды.

4. Изучить состав дренажных вод, стекающих с участков различной давности и интенсивности использования.

5. Наметить пути рационального использования торфяных почв региона.

Научная новизна. Впервые для агрогенных болотных ландшафтов Среднеамурской низменности проведены комплексные почвенно-гидрохимические исследования, что позволило выявить основные факторы и направленность преобразования почвенных растворов и дренажных вод.

Изучено влияние осушения, различных форм сельскохозяйственного использования на сезонную динамику химического состава почвенных растворов торфяных почв.

Выявлены закономерности трансформации растворенного органического вещества дренажных вод с участков мелиоративной системы в процессе антропогенного преобразования этих участков.

Прослежены связи между химическим составом атмосферных осадков, почвенных растворов и дренажных вод.

Предметом защиты являются следующие положения:

1. При антропогенном преобразовании мелиорированных торфяных почв нарастает амплитуда сезонных колебаний концентраций элементов в почвенном растворе.

2. Поведение большинства водных мигрантов зависит от количества и качества растворенного органического вещества дренажных вод, определяющихся интенсивностью антропогенного воздействия на торфяные почвы.

3. Известкование торфяных почв под пропашными культурами вызывает смещение равновесия минеральных форм азота в сторону образования нитратных и нитритных соединений в почвенном растворе.

- б -

Практическая значимость. Работа выполнялась в рамках плановых тем Института водных и экологических проблем ДВО РАН "Биогеохимическая индикация загрязнения окружающей среды" (№ Гос. per. 01880037576), "Разработка теории и методов биогеохимической экспертизы состояния окружающей среды" (№ Гос. per. 01910030786).

Информация об изменении химического состава дренажных вод и почвенных растворов торфяных почв в процессе осушения и эксплуатации позволяет прогнозировать направление и формы трансформации мелиорированных торфяных почв и специфику возможных воздействий на окружающую среду. Выявленные закономерности агрогеохимических изменений могут быть использованы при разработке системы мониторинга состояния существующих мелиоративных систем. Полученные материалы переданы для использования при проектировании мелиоративных систем в институт Дальгипроводхоз.

Апробация. Результаты исследований представлялись на IV конференции молодых ученых ИПФС АН СССР (Пущино-на-Оке, 1988), конференции "Почвы Дальнего Востока и других регионов СССР: теоретические основы повышения их продуктивности, эффективности использования и охраны" (Владивосток, 1990) , II Съезда Общества почвоведов России (Санкт-Петербург, 1996) и конференции молодых ученых ИВЭП ДВО РАН (Хабаровск, 1987-90) .

Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 работ .

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, приложения и списка литературы, включающего 129 наименований. Работа изложена на 137 страницах машинописного текста, в том числе содержит 12 таблиц и 18 рисунков.

Глава 1. ПРИРОДНЫЕ УСЛОВИЯ РАЙОНА ИССЛЕДОВАНИИ

Геология, геоморфология, почвообразующие породы.

Северо-восточная часть Среднеамурской депрессии в геологическом отношении представляет собой краевую часть молодого тектонического прогиба, образовавшегося на складчатом мезозойском фундаменте, заполненную рыхлыми кайнозойскими отложениями (Никольская, 1962; Варнавский, 1971). С севера и запада ее окаймляют отроги хребта Джаки-Унахта-Якбыяна (900-1500 м) , ас востока западные отроги Сихотэ-Алиня (1000-1200 м над уровнем моря) (Разрез..., 1978) .

Рельеф Среднеамурской низменности и ее предгорного обрамления представлен эрозионно-денудационным и эрозионно-аккумулятивным типами поверхностей. В первый тип входят холмисто-увалистые предгорья и горные водораздельные массивы. Второй тип объединяет несколько морфологических уровней равнин, различных по своим природным особенностям (Анисимов, 1973).

К краевой части депрессии приурочена предгорная поло-гонаклонная увалистая равнина. Высоты ее составляют от 4060 до 100-120 м над уровнем моря. Относительное превышение над руслами рек района колеблется от 15 до 40 м. Поверхность имеет заметный уклон в сторону р. Амур, составляющий 2-6°, расчленена долинами рек, ложбинами с временными водотоками, долинно-балочной сетью. Глубина вреза долин рек, пересекающих пологонаклонную равнину, обычно составляет 10-20 м при ширине днищ 0,5-2 км. Долины рек и ручьев заболочены .

Территория, занятая пологонаклонной увалистой равниной, относится к древней террасе, образовавшейся за счет

совместной деятельности озерных бассейнов и впадающих в озера рек. Отложения этой террасы характеризуются преобладанием в нижней части разреза песчано-гравийно-галечнико-вого материала, а в верхней — глинистого и суглинистого.

Плоская низменная междуречная равнина занимает значительно большую территорию, чем пологонаклонная. Высоты ее колеблются от 35 до 80 м над уровнем моря. Превышение над Амуром составляет 10-20 м, над руслами рек района — 5-10 м. Поверхность равнины не имеет заметного уклона в сторону Амура, уклон в сторону расчленяющих ее рек также не всегда выражен.

Поверхность равнины представляет собой террасу средне-четвертичного возраста. Отложения этой террасы характеризуются преобладанием в нижней части разреза переслаивающихся горизонтов песка, песка с галькой, галечников, а в верхней — глины, суглинка с прослоями и линзами супеси и песка.

На низменной равнине кроме повсеместного покрова торфа получили широкое распространение "минеральные острова" (релки) . Высота их варьирует от 0,5 до 2 м, ширина колеблется от 30 до 200 м, длина достигает 200-400 м.

В виде ленты различной ширины распространена вдоль русел крупных рек плоская расчлененная приречная равнина. Ее высоты достигают 40-50 м над уровнем моря, а относительные превышения — 4-5 м. Наибольшей расчлененностью отличаются прирусловые участки равнины, где наряду с релками встречаются прирусловые валы высотой 1,5-2,5 м и протяженностью 2050 м.

Верхние горизонты почвенных разрезов представлены здесь бурыми и серыми суглинками с прослоями песков и супесей. На глубине 2-3 м они сменяются толщей разнозерни-

стых гравелистых песков. По краям равнины и по долинам крупных рек верхняя часть разреза состоит из супесей с включением хорошо окатанной гальки, а в нижней преобладают галечники и валунники с супесчаным и суглинистым заполнителем .

На территории плоской низменной междуречной равнины, которая наиболее пригодна для хозяйственных целей, расположена большая часть населенных пунктов и сосредоточены основные площади сельскохозяйственных угодий, в том числе и мелиоративная система совхоза "Вознесенский".

Климат. По климатической классификации Е.С. Петрова (1973), основанной на сочетании генетического и морфологического принципов, рассматриваемая территория занимает часть Болоньского района Среднеамурской провинции. Климат этой провинции значительно теплее по сравнению с другими районами Хабаровского края. Здесь наиболее отчетливо проявляется влияние муссонных процессов, обусловливающих принос во второй половине лета морского тропического воздуха с циклонами (тайфунами). Лето теплое, зима, вследствие поступления холодных масс воздуха с северными и северозападными потоками, холодная или очень холодная. Средне-амурская провинция — единственная территория в Хабаровском крае, где наблюдается положительная среднегодовая температура. В то же время Болоньский район, находящийся на самом севере рассматриваемой провинции, характеризуется более холодной зимой, что сдвигает величину среднегодовой температуры в область отрицательных значений (Комсомольск-на-Амуре -0,7°, Болонь -1,7°).

Наиболее холодный месяц — январь. Средняя температура воздуха в этом месяце по метеостанции Болонь -28°, что на

3° ниже, чем в расположенном севернее г. Комсомольске. Такое распределение январских температур связано с инверсиями, характерными для впадин и защищенных от ветра участков долин.

Средняя температура самого теплого месяца — июля — по метеостанции Болонь +19,7°. Такие большие амплитуды колебания годовых температур (около 50°) связаны с сильным выхолаживанием территории в зимние месяцы. Абсолютный минимум температуры воздуха в январе составляет -52° (Болонь), тогда как в июле в этом же месте температуры достигают 40°. Вблизи Амура (Верхний Нерген) экстремальные температуры варьируют от -45 до +39°.

Продолжительность безморозного периода составляет в среднем 130 дней, но в отдельные годы он может уменьшаться до 120 дней или возрастать до 160 дней. Сумма активных температур воздуха 2000-2100°, что позволяет выращивать здесь пшеницу, кукурузу, картофель, капусту и другие овощи.

Среднее годовое количество осадков в пределах северовосточной части Среднеамурской низменности изменяется от 500 до 650 мм (Справочник..., 1968), в отдельные годы суммы выпадающих осадков значительно отличаются от средних величин. Муссонный характер атмосферной циркуляции и циклоническая деятельность оказывают большое влияние на распределение осадков в течение года. Основная доля годовой суммы осадков приурочена к теплому периоду, когда выпадает 7586% от годовых сумм. На долю зимних месяцев приходится всего около 7-10% осадков (Шлендик, 1970; Мордовии, 1973; Скорик, 1984) .

На теплый период приходится и основная часть испарения (Ресурсы..., 1970; Новороцкий, 1983) . По оценкам И.Г. Меще-нина (1988) суммарное испарение за этот период для северо-

восточной оконечности низменности составляет 385-397 мм с верховых болот и 428-440 мм с низинных. Предположительно для гетеротрофных болот с примерно равными долями верховых, переходных и низинных микроландшафтов суммарное испарение (эвапотранспирадия) за теплый период равняется 407419 мм. В ряде работ отмечается, что с переходных болот Приамурья испарение выше, чем с болот зоны тайги Западной Сибири (Мещенин, Пакутин, 1983; Мещенин, 1988) . Это, по-видимому, обусловлено «...большим приходом радиации и более высокой увлажненностью Среднеамурской низменности за счет муссонных осадков теплого периода" (Мещенин, 1988. С. 97).

В связи с последним обстоятельством величина такой интегральной характеристики увлажненности территории, как годовой сток, с переходных болот Приамурья ниже, чем с болот европейской территории России и Западной Сибири (Мещенин, Пакутин, 1983; Мещенин, 1988). Нередко наблюдающееся иссушение болот юга Дальнего Востока в июле-августе позволяет заключить, что они формируют сток в период снеготаяния и во время весенних дождей (при наличии сезонной мерзлоты, сохраняющейся иногда до конца июля), а также в периоды выпадения летне-осенних муссонных дождей, способствующих переувлажнению маломощных торфяных болот (Мещенин, 1988, 1989).

Весной и в первой половине лета осадков выпадает мало. В это время преобладают небольшие обложные дожди, дающие 1-5 мм влаги в сутки. Величина испарения весной превышает количество выпадающих осадков (Занина, 1958), поэтому водное питание растений в этот период осуществляется почти только за счет запасов влаги в почве, созданных осадками в сентябре и октябре предыдущего года. Вследствие этого в первые фазы жизнедеятельности растения испытывают недоста-

ток влаги, что сдерживает их рост и развитие (Витвицкий, 1969) .

К засушливому весенне-раннелетнему периоду приурочено большое количество дней с сильными ветрами, которые способны перевевать как легкие, так и тяжелые почвы, на тех и других наблюдаются пыльные бури (Иванов и др., 1981; Зар-хина и др., 1983).

Наибольшее количество осадков выпадают в июле и августе. В это время осадки нередко имеют характер ливней высокой интенсивности. В два-три раза по сравнению с первой половиной теплого периода в это время увеличивается число дней с осадками >10 мм (Мордовии, 1973) . Отдельные ливни бывают настолько сильными, что в течение суток выпадает до 100 мм осадков. Затяжные дожди продолжаются иногда несколько суток подряд, вызывая сильное переувлажнение почв и паводки на реках. Этот период обыч�