Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Динамика элементов питания растенийв окультуренных гидроморфных почвах Зауральяв зависимости от экологических условий

ВАК РФ 03.00.16, Экология

Автореферат диссертации по теме "Динамика элементов питания растенийв окультуренных гидроморфных почвах Зауральяв зависимости от экологических условий"

РОССИЙСКАЯ АКАДИМШ ШН УРАЛЬСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ Институт экологии растений и животных

На правах рукописи Борисова Галина Григорьевна

УДК 574.5:631.43:631.621:631.811

Динамика элементов питания растений в окультуренных гидроморфных почвах Зауралья в зависимости от экологических условий

03.00.16 - Экология

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Екатеринбург - 1992 г.

Работа выполнена в лаборатории экологии почв Института экологии растений и животных УрО Российской Академии наук и отделе мелиорации почв Уральского НИИ комплексного использования и охраны водных ресурсов.

Научный руководитель - доктор биологических наук, профессор Фирсова В.П.

Официальные оппоненты: доктор биологических наук,

Ведущая организация - Институт почвоведения и агрохимии СО Российской Академии наук

циализированного совета Д 002.05.01 по присуждению ученой степени доктора наук в Институте экологии растений и животных УрО РАН (620144 г.Екатеринбург, ул.8 Марта,202)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института экологии растений и яивотных УрО РАН

Автореферат разослан

профессор Тарншс Г.И.

кандидат сельскохозяйственных наук

Мамаева Д.К.

Защита состоится "j2£.I992 г. в часов на заседании спе-

Учений секретарь специализированного совета, кандидат биологических наук

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТУ

Анг^альнооть_геиы. Антропогенное воздействие на агрозко-системы, обусловленное осуиением и освоением гидроморфных почв, приводит к нарушениям в биогеохимических циклах биогенных элементов, а следовательно, к снижении почвенного плодородия и загрязнению природных вод. Повышение концентрации загрязняющих компонентов в водных объектах влечет аа собой изменение структуры и нарушение нормального функционирования водаж экосистем. Выявление особенностей сезонной и погодич-ной динамики элементов питания растений в системе почва-растение-вода в различные по гидрогермическим показателям годы является необходимым условием для прогнозирования характера и направленности культурного почвообразовательного процесса в мелиорируемых почвах, а таете его регулирования с учетом охраны водных объектов и получения экологически чистой продукции.

Цё5Ь_и_эадачи_исслеаований. Основная цель диссертационной работы заключается в сопряженном изучении особенностей динамики элементов питания растений в гидроморфных почвах и инфильтрационньк водах мелиорируемых агроэкосистем в зависимости от экологических условий. В связи с этим были поставлены следующие задачи:

1. Изучить сезонную и погодичную динамику азота, фосфора и калия в окультуренных серых лесных глееватых почвах в разных экологических условиях.

2. Оценить влияние экологических (гидротермических, биологических, гидрологических) факторов на изменчивость содержания элементов питания растений.

3. Определить величину вымывания биогенных элементов с инфильтрационными водами при осушении почв и оценить степень его воздействия на продуктивность агроценозов, качество биологической продукции и природных вод.

На^чная_новизна. Впервые проведено изучение динамики питательных элементов в системе:гидроморфная серая лесная поч-ва-растение-почвенно-грунтовые и дренажные воды в разных экологических условиях юанотаежной подзоны Зауралья. Применение комплексного подхода к исследовании почвенных режимов и методов математической статистики позволило расширить и углубить представления об особенностях динамики биогенных элементов и оценить ее зависимость от экологических условий почвообразования.

Практическая_ценность_работы. Основные положения диссертационной работы вошли в заключительный научно-технический отчет по теме 3.1 проблемы 005.01.02 государственного плана НИР. Результаты проведенных исследований по сезонной динамике 'азота, фосфора й калия могут быть использованы для стандартизации сроков отбора почтенных образцов на химический анализ, предпочтительно совпадающих с максимальными или минимальными значениями в цикле сезонных изменений содержания питательных веществ. Материалы исследований по динамике химического состава дренажных вод были использованы при составлении нормативного документа ВСН "Мелиоративные системы и сооружения",, раздел "Охрана природы", подраздел "Охрана вод" (в качестве приложения). Изучение воздействия параметров осушения на интенсивность миграции биогенных элементов и величину аккумуляции нитратов в продукции является необходимым условием для

4

разработки оптимальных режимов осушения с учетом охраны окружающей среды.

На защиту выносятся:

1. Особенности сезонной и погодичной динамики питательных элементов в окультуренных серых лесных глееватых почвах и инфильтрационных водах и ее зависимость от экологических условий почвообразования.

2. Количественные параметры выноса биогенных веществ дренажным стоком с осушаемых серых лесных глееватых почв и изменение их свойств под влиянием осушения и интенсивного сельскохозяйственного использования.

3. Зависимость интенсивности миграции биогенных элементов от положения уровня почвенно-грунтовых вод и его влияние на качество биологической продукции.

Ап^юбация_работы. Основные положения диссертационной работы доложены на научно-практических конференциях молодых ученых в НПО "Среднеуральекое" (1988 и 1991 гг.), на школе-семинаре Института экологии растений и животных УрО АН СССР (1989), на Всесоюзной научно-практической конференции "Экологические проблемы сельского хозяйства и пути их решения" (Ленинград, 1991), на XI и ХП научно-практических конференциях почвоведов, агрохимиков и земледелов Поволжья и Урала (Уфа, 1988 и Казань, 1991), на заседании Свердловского отделения Всесоюзного общества почвоведов (1991), на заседаниях мелиоративной секции ученого совета УралНИИВХ (1987, 1988, 1989, 1991 гг.), а также на заседаниях лаборатории экологии псчв Института экологии растений и тавотных УрО АН СССР (19871990 гг.).

Публикации. По материалам диссертационной работы опубли-

5

ковано II статей - из них 5 написаны в соавторстве.

СтЕукТУЕё _и_объеы_диссертации. Диссертация состоит из введения, о глав и выводов. Работа изложена на 169 страницах машинописного текста, включает 21 таблицу и 20 рисунков. Список литературы содержит 27? наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Глава I. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДУ ИССЛЕДОВАНИЙ Сезонная и погодичная динамика многих почвенных показателей является неотъемлемым свойством почвы. Исследования по динамике почвенных процессов проводились в различных районах нашей страны и за рубежом. Их результаты обобщены в работах С.П. Кравкова, А.А.ИЪлука, М.М.Абрамовой, А.В.Барановской, Д.Б.Холо-повой, В.П.Фирсовой, Л.К.Мамаевой, В.Н.Башкина, Д.К.Коулмана, Д.У.Кука и других авторов. Эти исследования имеют большое значение для познания сущности почвообразования и могут быть использованы при разработке научно обоснованных путей повышения плодородия почв. Вопросы, связанные с цикличность» биогенных элементов, в Зауралье изучены недостаточно. Особенно слабо исследована динамика элементов питания в окультуренных гидро-морфных почвах, для которых важным экологическим фактором, влияющим на изменчивость почвенных показателей, является неглубокое залегание уровня почвенно-грунтовых вод.

Антропогенное воздействие на агроэкосистемы, обусловленное осушением и окультуриванием гидроморфных почв, сопровождается увеличением емкости и интенсивности геологического круговорота, что ыо*ет привести к снижении почвенного плодородия, а также к загрязнению биогенными веществами природных вод. Вопросам выноса химических элементов дренакными водами в мелиори-

руемнх агроэкосистемах посвящены работы В.С.Брезгунова, B.C. Маслова, Е.П.Панова, В.А.Трифонова, И.В.Минаева, З.Б.Киндери-са, В.П.Гусева, Л.К.Мамаевой и др.

Стационарные исследования с целью комплексного изучения особенностей динамики питательных элементов в мелиорируемых агроэкосистемах проводились на объекте "Арамильская пойма", расположенном в Зауральской холмисто-предгорной южнотаённой провинции и осушаемом закрытым дренажем глубиной 1,0 м и расстояниями между дренами 5,10 и 15 м. Параллельно проводились исследования на участке без осушения (контроль).

В целях изучения динамики элементов питания 4-6 раз за вегетационный период (1987-1989 гг.) из пахотного горизонта окультуренных серых лесных глееватых почв производился отбор

проб методом смешанного образца, состоящего из о кндивидуаль-

?

ных с каждой опытной делянки (площадь делянок - 100 м , пов-торность - четырехкратная). В свежих'образцах почв определяли содержание легкогидролизуемых соединений азота и подвижных форм фосфора и калия. При аналитической обработке почвенных и растительных образцов использовались общепринятые методы лабораторных исследований (Агрохимические методы исследований почв, 1976; Аринупгкина, 1970). Содержание азота, фосфора, калия, кальция, магния, железа в дренажных и почвенно-грунтовых водах определяли по общепринятым в Г'идрометслужбе методикам.

В 1988-1990 гг. в дополнение к стационарным полевым наблюдениям проводили модельные исследования с помощью водноба-лансовых лизиметров площадью 0,82 м , в которых в течение периода вегетации растений поддерживались постоянные уровни почвенно-грунтовых вод (на глубине 0,5; 1,0; 1,5 и 2,0 м).

Статистическая обработка экспериментальных материалов

7

включала дисперсионный, корреляционный, регрессионный анализ. Результаты изучения динамики элементов питания растений были обработаны также одним из методов многомерного анализа - методом главных компонент.

Глава 2. ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ ПОЧВООБРАЗОВАНИЯ

В геоморфологическом отношении район исследований относится к древней предгорной эрозионной равнине с разработанными впоследствии аллювиальными долинами. Рельеф подгорной равнины эрозионный, поверхность ее увалистая. Высота увалов колеблется от 250 до 300 м. Стационар расположен в нижней части пологого водораздельного склона с гривисто-ложбинным рельефом. Перераспределение влаги атмосферных осадков в процессе поверхностного и почвенного стбка по склону является ваяным фактором формирования гидроморфных почв.

Опытный объект характеризуется сложным геологическим строением. Коренные породы перекрыты четвертичными отложениями: слабопроницаемыми элювиальными глинами и суглинками, которые перемешаны с делювиальными наносами.

С гидрогеологической точки зрения опытный массив представляет собой единый водоносный горизонт с уклоном в сторону реки Арамилки, являющейся притоком реки Исеть. Питание верхнего водоносного горизонта осуществляется за счет инфильтрации осадков и паводковых вод, а также подтягивания воды из водоносного комплекса, связанного с трещиноватостью коренных пород, и бортовых притоков.

Таким образом, геоморфологические и геологические особенности рассматриваемой территории (поступление влаги с верхних геоморфологических элементов, слабая проницаемость подстилающих пород, а также незначительная разгрузка грунтовых и скло-

8

новых вод в пойме р.Арамилка) являются ванными факторами формирования избыточно увлажненных серых лесных глееватых почв. Этому благоприятствует и климат исследуемой территории, характерными особенностями-которого являются преобладание осадков над испарением в годичном цикле, их неравномерное распределение как по годам, так и в пределах вегетационного периода, а также наличие сезонно-мерзлой прослойки.

Погодные условия в течение четырех лет наблюдений значительно различались. В 1987 году вегетационный период был влачс-ным и теплым (обеспеченность по осадкам составила 10$, а по температуре - 2,5$); в 1988 году - засушливым и жарким (обеспеченность осадками 95$, а температурой - 0,1$), в 1989 году -сухии и теплым (обеспеченность по осадкам - 92$, а по температуре - 16,5$), а в 1990 году - влажным (.9,5%) и достаточно теплым (63$).

Согласно лесорастительному (Колесников, 1969) и геоботаническому (Горчаковский, 1968) районированию, исследуемая территория расположена в южной части подзоны южной тайги. В южнотаежной подзоне Зауралья под смешанными лесами с преобладанием березняков складываются благоприятные условия для формирования серых лесных почв. Появление луговых сообществ под влиянием антропогенных факторов привело к усилению дернового процесса и способствовало формированию высокоплодородных серых лесных почв под агрофитоценозами.

В работе приведено морфологическое описание разреза окультуренных серых лесных глееватых почв, для которых характерно наличие мощного гумусового горизонта (25-30 см), отчетливо выраженное оглеение в виде сизых и охристых пятен в подпахотном горизонте. В горизонте В отчетливо видна ореховатая

9

структура.

В главе приведены таблицы с данными по гранулометрическому, микроагрегатному составу исследуемых почв, а также с их водно-физическими и физико-химическими показателями.

Согласно классификации почв по гранулометрическому составу, предложенной Н.А.Качинским (1958), серые лесные глееватые почвы опытного объекта относятся к пылевато-иловатым легким глинам. В пределах почвенного профиля дифференциация по гранулометрическому составу выражена слабо, однако следует отметить, что имеется тенденция к накоплению физической глины в пахотном горизонте.

Почвы исследуемого стационара обладают удовлетворительными водно-физическими свойствами, однако в подпахотных горизонтах значения общей порозности и коэффициента фильтрации понижаются, что вызывает ухудшение водно-воздушного режима. Узкий интервал меаду наименьшей влагоемкостью и влажностью разрыва капилляров обусловливает быстрый переход этих почв от состояния избыточного увлажнения к недостаточному. Следовательно, возникает необходимость целенаправленного регулирования их водного реаима.

Для рассматриваемых почв характерно высокое содержание гумуса ( , сумма поглощенных оснований составляет 38-42 мг-экв. на 100 г почвы, степень насыщенности основаниями - 9598$, реакция среды - нейтральная или близкая к нейтральной. Они обладают высоким содержанием легкогидролизуемого азота (12-18 мг/100 г почвы) и средним - подвижного фосфора (8-12 иг/100 г почвы). Количество подвижного калия колеблется от низкого до среднего (4-15 мг/100 г почвы). Содержание легкогидролизуемого азота характеризуется незначительной простран-

10

ственной изменчивостью (коэффициент вариации не превышает 10^), а подвижных форм фосфора и калия - средней (коэффициент вариации - 10-2056).

Глава 3. ОСОБЕННОСТИ ДИНАМИКИ ПОДВИлШХ ФОШ АЗОТА, ФОСФОРА И КАЛИЯ В ПОЧВАХ

Общими для трехлетнего цикла наблюдений тенденциями в динамике легкогидролизуемого азота является накопление его в почве в летний период и снижение его содержания к осени (рис. I). В летнее время потери азота в результате отчуждения растительностью в значительной степени компенсируются благодаря интенсификации биохимических и биологических процессов, приводящих к повышению скорости минерализации органического вещества. Понижение его содержания к осени обусловлено усилением иммобилизации, денитрификации и частичным*выносом в грунтовые и дренажные воды. К концу весны следующего года оно, как правило, восстанавливалось. Особенности сезонной изменчивости содержания легкогидролизуемого азота в почвах обусловлены динамикой их гидротермического режима в течение вегетационного периода. С помощью метода множественной регрессии установлено, что сезонная динамика легкогидролизуемого азота на 41% определяется величиной гидротермического коэффициента за пятидневный период, предшествующий отбору образцов на анализ. Характер изменений содержания легкогидролизуемого азота в осушаемых и неосушаемых почвах в основных чертах одинаков, несмотря на имеющиеся различия, которые наиболее отчетливо выражены в весенний и осенний периода и обусловлены различной влажностью почв. При существующей системе агротехники за пятилетний период с 1985 по 1990 гг. среднее содержание легкогид-

II

и 20

I 16

и

ь 12

о о

8 4

4 0

м

I

и

о

о <

ю о

р1 §з

и ь

о

0

1 ч

20 16 12 8

4 0 20 16

12 8

4 0

, . „,. — 1 , ,.. 1 I" 1 г —I—|—г—I—

' — ___ '

• ■— ч _1_-1-

V VI VI/ Щ IX V V/ VII VIIIIX V V/ VII VIIIIX

1987 г. 1988 г. 1989 г.

Рис Л Динамика легкогидродизуемого азота и подвижных форм фосфора и калия в почвах.

- .Однолетние травы ( дренаж )

1 Чистый пар (дренаж )

--- Однолетние травы (без дренажа )

12

ролизуемого азота осталось на прежнем уровне, несмотря на ежегодное отчуждение значительных количеств азота с продукцией. Такая тенденция была характерна как для осуиаемых arpoценозов, так и для неосушаемых.

Содержание подвижного фосфора, как показали наши исследования, к концу вегетационного периода понижалось, а затем к весне следующего года восстанавливалось. Уменьшение количества доступного фосфора к осени обусловлено, очевидно, снижением биологической активности почвы и процессами закреплзния фосфора (о чем свидетельствует аналогичная тенденция на чистых парах) и лить отчасти потреблением растительностью, поскольку, как известно, величина отчуждения фосфора культурами существенно ниже по сравнению с азотом и калием. Вынос фосфора в грунтовые и дренажные воды незначителен в связи с его низкой подвижностью, особенно в почвах тяжелого гранулометрического состава. Следовательно, вертикальная миграция фосфора не играет существенной роли в понижении его количества. Миграция соединений фосфора по уклону местности в исследуемых почвах также невелика, поскольку уклон в пределах опытного объекта составляет величину не > 0,006. С помощью метода главных компонент выявлено существенное сходство между динамикой Р2О5 в осушаемых почвах и почвах без дренажа. Имеющиеся различия по сезонной изменчивости фосфора между этими вариантами проявляются, главным образом, в весенний период наблюдений (в мае). Но несмотря на сходство общего хода динамики фосфора в осуиаемых и неосушаемых почвах, его содержание на участке без дренажа в 1987 и 1988 гг. было значительно ниже, чем при дренаже. Это обусловлено избыточным увлажнением неосушаемых почв в весенний и осенний периоды, которое приводит к образованию груднораст-

13

воримых фосфатов железа.

В целом за три года исследований содержание подвижного фосфора в почве несколько возросло, что связано с систематическим применением удобрений не только в эти года, но и в годы, предшествующие периоду наблюдений.

Количество обменного калия в почве к осени закономерно убывало, главным образом как результат закрепления почвой, о чем свидетельствует аналогичная тенденция на варианте без растительности. Значительная фиксирующая способность исследуемых почв связана с высоким содержанием в них органического вещества и почти полной насыщенностью ППК двухвалентными катионами.

Величина доступного калия отчасти восстанавливается к весне (по сравнению с осенним периодом предыдущего года), как результат разложения растительных остатков и мобилизации калия из необменных форм. Однако в связи с ежегодным отчуждением значительного количества обменного калия с продукцией в условиях интенсивного земледелия требуется регулярное пополнение его запасов. Подтверждением этому является снияение содержания подвижного калия в почвах опытного участка за 3 года исследований от среднего до низкого не только под травами, где удобрения в 1988г. не вносились, но и под культурами пропашного севооборота, куда ежегодно вносились калийные удобрения (в умеренных дозах: 60,60 и 100 кг/га соответственно по годам исследований) .

В результате исследований установлено, что 36$ динамики подвижного калия обусловлены колебаниями гидротермических факторов.

Комплексный подход к исследованиям, а также применение методов множественной регрессии и главных компонент к анализу

14

имеющихся данных позволили расширить и углубить представления о динамике подвижных форм азота, фосфора и калия. В разные годы наблюдались различные амплитуды их колебаний и смещение сроков максимальных и минимальных значений, что обусловлено особенностями погодичной динамики гидротермического режима почв, но для всех лег характерно то, что минимум ЛТК приходится на осень. Это связано с тем, что погодные условия осеннего периода на исследуемой территории не являются благоприятными для минерализации пожнивных и корневых остатков, поступающих в почву после уборки урожая. Их разложение происходит главным образом в конце весны - начале лета, когда почва освобождается от излишней влаги и прогревается до 1о-16°С. Общие черты между динамикой азота, фосфора и калия свидетельствуют о взаимосвязи между биогеохимическими циклами этих элементов и о сопряженности процессов трансформации их соединений под влиянием сходных экологических условий.

В результате исследований обнаружены общие тенденции между динамикой азота, фосфора и калия в почвах как при отсутствии растительности, так и при возделывании разных сельскохозяйственных культур, что является подтверждением ведущей роли гидротермических условий среди комплекса исследуемых экологических факторов, определяющих .особенности сезонной л погодичной динамики элементов питания. Имеющиеся в отдельные сроки наблюдений различия в содержании этих элементов между участками, занятыми культурами разных видов, обусловлены различной биомассой поступающих в почву растительных остатков, особенностями фенологии растений и величиной потребления и отчуждения ими питательных элементов.

Оптимизация водно-воздушного режима почв в результате их

15

осушения и окультуривания способствует улучшению теплового режима и интенсификации микробиологических процессов, что приводит к существенному (на 30$) повышению продуктивности агроце-нозов' (табл.).

Глава 4. БИОГЕОХИМИЧЕСКИЕ ЦИКЛЫ ЭЛЕМЕНТОВ ПИТАНИЯ РАСТЕНИЙ В СИСТЕМЕ ПОЧВА-РАСТЕНИЕ-ВОДА

Гидрохимический состав дренажного стока с осушаемых почв является важным показателем их биогеохимической трансформации в условиях антропогенного воздействия, связанного с осушением гидроморфных почв и их сельскохозяйственным использованием.

Появление дренажного стока в южнотаежной подзоне Зауралья приурочено, как правило, к третьей, реже ко второй декаде ап- ; реля. В это время дреначшые воды характеризуются наименьшей минерализацией. По мере оттаивания почвы и повышения ее температуры происходит увеличение минерализации дренажных вод.

Азот мигрирует по почвенному профилю преимущественно в нитратной форме: до 97$ минерального азота в дренажных водах опытного участка представлено нитратами. Максимальная концентрация нитратного азота в стоке наблюдалась в весенний и осенний периоды. Во время активного.развития растительности она уменьшалась, что свидетельствует о важной роли фитоценоза как биогеохимического барьера в цикле азота. В результате оптимизации водно-воздупного режима почв под влиянием осушения наибольшее выражение получили окислительные процессы, что привело к повышению концентрации, нитратного азота в дренажных водах от 4,0 до 7,6 мг/л (за четыре года исследований) и некоторому снижению аммонийного азота. В целом за период с апреля по октябрь величина выноса минерального азота с дренажными водами

16

Продуктивность мелиорируемых агроценоэов (стационар "Араыильская пойма"), ц/га

Таблица »

__Годы___1___1987___]__

1988

1989

1

1990

Вариадты !Вико-овес, !£5нолетние_травы! Турнепс .! Овес. !Карто

!з/к

I

Озимая Ювес, !

{рокь,з/к!вика,

1 горох, ! !пшени- ! !ца, яч-1 ! мень,з/й_

5 кострец!фель 'безос- ! (тый, I !з/к !

1Костреп беэос- ! Карто-! тыйА_э/к_______I фель

¡1 укос ! П укос |

Дренах, В= 15 м 285 167 212 754 189 313 172 128 253

Дренаж В= 10 м 310 158 214 717 172 282 126 121 232

Дрена« В= 5 м 280 136 220 710 162 271 124 118 208

Без осушения (контроль) 230 68 174 455 127 101 104 __

НСР 0,5 16,6 9,3 11,5 39,1 12,1 28,1 12,3 7,0 12,2

% 1,9 2,1 1,7 1,8 2,3 2,8 3,2 2,1 1,5

из исследуемых почв составила в среднем 5,1 кг/га.

Содержание фосфора в дренажных водах было ничтожно мало, что связано с его слабой подвижностью и высокой степенью закрепления почвой. Потери фосфора с дренажным стоком составили в среднем 0,25 кг/га в год. Миграция калия по профилю исследуемых почв затруднена, что обусловлено юс тяжелым гранулометрическим составом, но во влажные годы его концентрация в дренажном стоке возрастала, что отчасти объясняется его привносом с расположенных выше по склону транзитных ландшафтов. Однако в целом для азота, фосфора и калия основной статьей расхода является отчуждение сельскохозяйственной продукцией. Миграция этих элементов за пределы агроэкосистемы с дренажным стоком составляет 2-Ь% от величины их отчуждения агрофитоценозом (рис. 2).

Биогеохимические циклы щелочноземельных элементов существенно отличаются от циклов азота, фосфора и калия, т.к. величина их вовлечения в биологический круговорот, как правило, ниже. Кроме того, кальций и магний в наибольшей степени концентрируются в вегетативных частях растений, которые остаются в почве в виде корневых и пожнивных остатков. Главной составляющей их миграции за пределы агроэкосистемы является поступление в геологический круговорот. Потери щелочноземельных элементов из почвы в результате их выноса дренажным стоком составляют в среднем 168 кг/га СаО в год и 88 кг/га М§0 (рис. 2), В условиях влажного 1990 года концентрация этих элементов в дренажном стоке повышалась, что во многом обусловлено дополнительной их миграцией из почв выше расположенных геоморфологических элементов. В результате интенсивной миграции щелочноземельных элементов и их выноса дренажным стоком за пя-

18

0,2

Рис. 2. Особенности биогеохимических циклов биогенных элементов в мелиорируемых агроэко-системах.

I - отчуждение элементов сельскохозяйственной продукцией: а) однолетними травами

(кг/га); б) корнеплодами (кг/га) П - вынос элементов дренажными водами (кг/га).

тилетний период после строительства дренажа сумма поглощенных оснований кальция и магния уменьшилась на 8 мг-экв на 100 г почвы. Значительные потери кальция и магния приводят к ухудшению структуры почвы, ее физико-химических и коллоидных свойств, поэтому в систему окультуривания гидроморфных почв должны входить меры по сохранению почвенного плодородия: внесение органических удобрений, известкование почвы, внедрение водо-оборотных осушительно-увлажнительных систем, увеличение площадей трав и уплотнение посевов за счет введения промежуточных культур.

Поскольку содержание двухвалентного железа в почвенно-грунтовых и дренажных водах исследуемых почв не превышало 0,05 мг/л, то мокно сделать вывод об отсутствии условий для закупорки дрен гидроокисью железа. Однако в период наблюдений имело место эпизодическое превышение ПДК по трехвалентному железу, следовательно, окисное железо в отдельных случаях может являться загрязнителем природных вод.

При проектировании дренажа важным вопросом является определение его основных параметров с учетом охраны окружающей среды и сохранения почвенного плодородия. В результате исследований установлено, чго участки с расстояниями 5,10 и 15 м между дренами различались по объему отведенной воды. Наибольшая величина объема дренажного стока, а следовательно, наибольший вынос элементов питания с дренажным стоком были характерны для варианта с меньшим расстоянием между дренами (5 м).

Глава 5. ЛЮШЕТРИЧЕСКЙЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

Лизиметрические исследования показали, что близкое зале-

20

гание к поверхности почвенно-грунтовых вод в гидроморфных почвах оказывает существенное влияние на динамику элементов питания зоны аэрации и интенсивность их миграции по почвенному профилю.

Проведенные исследования позволяют сделать вывод о незначительных масштабах миграции азота, фосфора и калия в период вегетации растений. Во многом это объясняется высокой степенью их биофильности, а следовательно, их интенсивным использованием растительностью, что подтверждает важную роль аг-рофитоценоза как биогеохимичсского барьера.

Потери кальция и магния в результате внутрипочвенной инфильтрации значительно выше, чем азота, фосфора и калия, хотя и их величина меньше по сравнению с потерями этих элементов за счет выноса дренажным стоком.

Установлено, что с понижением УПГВ от 0,5 до 1,5 м величина водообмена уменьшалась в 3-4 раза. При УПГВ 2,0 м происходило возрастание инфильтрации атмосферных осадков и, как правило, усиление миграции биогенных элементов в почвенно-грунтовые воды.

Положение уровня почвенно-грунтовых вод оказывает также существенное воздействие на продуктивность культур. В засушливые вегетационные периоды максимальная величина биомассы турнепса (1988 г.) и картофеля (1989 г.) была получена на лизиметрах, в которых почвенно-грунтовые воды поддерживались на глубине 1,0 м. В 1990 г., особенностью которого был влажный вегетационный период, максимальный урожай картофеля формировался при поддержании почвенно-грунтовых вод на глубине 1,5 м.

Установлена зависимость величины накопления нитратов в продукции от глубины з&легания почввнно—ррунтовых вод1 при по**

21

имении УПГВ от 0,5 до 1,5 м происходило повышение величины аккумуляции нитратов в клубнях картофеля (от 93 до 267 мг/кг сырого вещества в 1989 г. и от 49 до 92 мг/кг сырого вещества в 1990 г.). При глубине 2,0 м их содержание в продукции несколько понижалось, что обусловлено повышенным вымыванием нитратов из корнеобитвемой зоны в почвенно-грунтовые воды в результате преобладания инфильтрации. Дополнительное увлажнение почв привело к существенному (в среднем на 4С$) снижению величины аккумуляции нитратов.

Таким образом, повышение УПГВ до 0,5 м сопровождается не только снижением урожайности культур, но и уменьшением содержания крахмала и сухого вещества в клубнях картофеля. Понижение УПГВ более 1,1 м приводит к избыточному накоплению нитратов в продукции, а также к непроизводительным потерям поливной воды. Кроме того, снижение УПГВ до 2,0 м вызывает усиление инфильтрации, приводящей к значительному вымыванию элементов питания. Следовательно, наиболее целесообразным является поддержание почвенно-грунтовых вод на глубиче около 1,0 и.

вывода

I. Сезонные колебания содержания легкогидролизуемого азота и подвижных форм фосфора и калия в исследуемых почвах обусловлены циклическими изменениями климатических показателей. Максимальное их накопление происходило в благоприятных для разложения органического вещества условиях (в начале и середине лета), а минимальное содержание приходилось на осень. Выявлены общие тенденции между динамикой азота, фосфора и калия, что свидетельствует о взаимообусловленности их биогеохимических циклов, а также сопряженности процессов трансформа-

ции их соединений.

2. Сходство общего хода сезонной и погодичной динамики элементов питания растений в исследуемых почвах как при отсутствии растительного покрова, так и при возделывании различных сельскохозяйственных культур обусловлено ведущей ролью гидротермических факторов. С помощью регрессионного анализа показано, что в среднем ЪЪ% изменений содержания азота, фосфора и калия можно объяснить колебаниями гидротермических условий.

3. Осушение окультуренных серых лесных глееватых почв закрытым дренажем не оказало существенного воздействия на общий ход сезонной и погодичной динамики подвижных форм азота, фосфора и калия. Вместе с тем между почвами осушаемых и неосу-шаемых агроценозов выявлены достоверные различия по содержанию этих элементов, связанные с изменением экологических условий почвообразования под влиянием мелиорации почв. Происходящее при осушении улучшение водно-воздушного режима почв приводит

к повышению продуктивности агроценозов (в среднем на 30%).

4. Осушение серых лесных глееватых почв сопровождается усилением миграции биогенных элементов по почвенному профилю

и их непроизводительными потерши в результате выноса с дренажными водами, которые по своему химическому составу не представляют серьезной угрозы для загрязнения водоемов. !1аблюдает-ся лишь эпизодическое превышение ПДК по аммонийному азоту, магнию и трехвалентному железу. Величина выноса азота, фосфора и калия с дренажным стоком в период вегетации незначительна (составляет в среднем 10 кг/га или 2-6% от величины их отчуждения агрофитоценозом) в связи с интенсивным вовлечением этих элементов в биологический круговорот. Между тем потери кальция и магния, обусловленныз их выносом с дренажным стоком,

23

очень велики (в среднем 168 кг/га СаО и 88 кг/га М^О), что привело к понижении суммы поглощенных оснований на 8 мг-экв/ 100 г почвы (за 4 года наблюдений).

0. Лизиметрические исследования позволяют сделать вывод о незначительных масштабах миграции азота, фосфора и калия по почвенному профилю в период вегетации растений. Потери кальция и магния вследствие внутрипочвенной инфильтрации также ниже по сравнению с их выносом дренажными водами.

6. Важным экологическим фактором, влияющим на интенсивность миграции элементов, продуктивность растений и их качественный состав, является глубина залегания почвенно-грунтовых вод. Наиболее экологически и экономически целесообразно поддержание УПГВ на глубине 1,0+0,1 м.

7. Фитоценоз является важным биогеохимическим барьером, снижающим интенсивность вымывания биогенных элементов, поэтому целесообразно увеличение площади посевов многолетних трав

и уплотнение севооборотов за счет введения промежуточных культур.

Список работ, опубликованных по теме диссертации

1. Борисова Г.Г. Вынос элементов питания дренажным стоком // Агрохимия на службе урожая: Тез. докл. науч.-практ. конф. - Свердловск, 1988. - С.14.

2. Борисова Г.Г. Особенности динамики азота осушаемых почв // Тез. докл. науч.-произв. конф. "Роль молодых ученых и специалистов в развитии агропромышленного комплекса". - Свердловск, 1988. - С.9.

3. Борисова Г.Г. Динамика пищевого режима осушаемых серых лесных почв // Научные основы и практические приемы повы-

шения плодородия почв Урала и Поволжья: Тез. докл. научн.-проиэв. конф. почвоведов, агрохимиков и эемледелов Урала и Поволжья. - Уфа, 1988. - С.21-22.

4. Борисова Г.Г., Макарова Е.Г. Плодородие осушаемых гидроморфных почв Среднего Урала // Тез. докл. республик, науч.-техн. конф. "Интенсивное земледелие и охрана окружающей среды". - Волгоград, 1989. - СЛ72.

5. Борисова Г.Г. Особенности пищевого режима осушаемых серых лесных почв // Проблемы мелиорации и водного хозяйства Урала / СибНИИГиМ. - Красноярск, 1989. - С.29-35.

6. Борисова Г.Г. Биогеохимические циклы в мелиорируемых агроэкосистемых // Актуальные проблемы экологии: экологические системы в естественных и антропогенных условиях среды: Информационные материалы. - Свердловск: УрО АН СССР, 1989. - С. 1213.

7. Борисова Г.Г., Макарова E.H. Эффективность сельскохозяйственного использования серых лесных глееватых почв // Экологические аспекты продовольственной проблемы. - Свердловск: УрО АН СССР, 1990. - С.53-56.

8. Макарова E.H., Борисова Г.Г. Эффективность двустороннего регулирования водного режима почв при выращивании картофеля // Матер, конф. "Актуальные проблемы интенсификации земледелия и животноводства в современных условиях". - 4.4. -Свердловск, 1990. - С.12-16.

'9. Дальков М.П., Гусев В.П., Федоров В.Н., Одинцева Г.Я., Борисова Г.Г. Природоохранные мероприятия при мелиорации земель в Уральском регионе // Экологические аспекты агротехнических и мелиоративных мероприятий. Экономические аспекты взаимовыгодного сотрудничества: Материалы сов.-фин. симпозиу-

25

ма. - М., 1991. - С.57-60.

10. Борисова Г.Г., Макарова E.H. Миграция биогенных элементов в гидроморфных почвах в зависимости от уровня стояния в них почвенно-груитовых вод // Почвы Среднего Поволжья и Урала, теория и практика их использования и охраны: Тез. докл. ХП конф. почвоведов, агрохимиков и земледелов Среднего Поволжья и Урала. - Ч.П. - Казань, 1991. - C.I9.

11. Борисова Г.Г. Динамика химического состава дренажных вод в мелиорируемых агроэкосистемах // Экосистемный подход к управлению качеством поверхностных и подземных вод мероприятиями на водосборах: Тез. докл. Всерос. науч.-техн. конф. -Свердловск, 1991. - C.I6-I7.

Подписано к печати 13.01,92г. Заказ 24. Тираж 100 »кз. Л0П Уралгидромвта. г.Свердловск,ул. Н-Волн,64