Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Динамика почвенных процессов при антропогенной трансформации и образовании почв

ВАК РФ 03.00.27, Почвоведение

Автореферат диссертации по теме "Динамика почвенных процессов при антропогенной трансформации и образовании почв"

:. Т 1Т?'Р о С С И И -С К Л Я Л К А Д 3 М И Я Н Л У к СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕШИ

институт готсвЕДЕШи и агрожш

На правах рукописи уда 631.417

АОАНАСЬЕЗ НЖСЯЛС АЛЕКСЕЕВИЧ ДИНАЖА ПОЧВЕННЫХ ПРОЦЕССОВ ПРИ АНТРОПОГЕННОЙ

трлксфоращт и образовании почв

Специальность - 03.00.27 - почвоведение

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Новосибирск - КОЗ

Работа выполнена в лаборатории биогеоценологии Института почвоведения п агрохшлии СО РАН

Научный руководитель: доктор биологических наук

A.А.Тптлянова

Официальные оппоненты: доктор биологических наук

B.И.Волковинцер

кандидат биологических наук В.И.Шоба

Ведущее учреждение: Институт экологии природных комплексов СО РАН

Защита состоится " 14 " апреля 1393 г. на заседании специализированного совета Д-002.15.01 при Институте почвоведения и агрохимии СО РАН (6300023, Новосибирск, ул. Советская, 18)

С диссертацией могло ознакомиться в библиотеке Института почвоведения и агрохимии СО РАН.

Автореферат разослан " 7£ " с^м ч 1932 г.

Отзыв на автореферат, заверенный гербовой печатью просим направлять в адрсс спецсовета.

Ученый секретарь специализированного совета,

доктор биологических наук Ж-, Н.И.Дергачева

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы. Современный почвенный покров представляет собой сложную мозаику природных, полуприродных почв и антропогенных их трансформатов. Многочисленные исследования последних десятилетий свидетельствуют о быстрых, иногда неожиданных изменениях почв и их свойств под влиянием разнообразных форм антропогенных воздействий. Повсеместно усиливаются явления деградации почв, приводящие к ухудшению их природных свойств. Возрастают площади нарушенных при добыче полезных ископаемых территорий, требующих восстановления почвенного покрова - "кожи" планеты. В этих условиях резко возрастает актуальность изучения почвенных процессов на количественной основе, которое позволяет прогнозировать направление и скорость анропогенной эволюции почв.

Одной из черт почвы как экологической системы является значительный размах временных шкал,- в пределах которых выявляются почвенные процессы, определяющие те или иные свойства. Вскрыты существенные различия в скоростях как формирования почвы в целом, так и ее отдельных свойств (характерное время). Интервал характерных времен различных свойств почвы охватывает широкий диапазон времени от нескольких часов до миллионов лет (Соколов, Таргульян, 1976). В этой связи важной проблемой становится выявление разных категорий почвенных процессов, отвечающих за быстрые, средние и медленные изменения свойств почвы.

Учение о динамике почв во времени разработано с разной степенью детальности для шкал различного размера. Наиболее изучены изменения свойств почвы на короткой шкале времени -сезонные изменения отдельных физических и химических свойств, гидротермического режима и др. Глубоко разработана и теория эволюции почв в историческом масштабе времени (Александровский, 1984; Гадашев, 1982; Геннадиев, 1990; Таргульян, 1982). В то же время меньше исследований, касающихся изменений свойств почвы с небольшими характерными временами порядка п-1-П-Ю лет, т.е процессов, определяющих современную динамику почв, информацию о которых можно получить лишь в длительных стационарных исследованиях.

Пелъ работы - на примере некоторых почвенных процессов -гумусонакопления, изменения состава почвенного раствора и почвенно-поглощаодего комплекса - охарактеризовать их современную динамику, обусловленную различной степенью (частичной, глубокой и полной) антропогенной трансформации естественных почв.

Ддя осуществления этой цели были поставлены следующие конкретные задачи: I. Изучение динамики почвенных процессов под влиянием пастбищной нагрузки. 2. Исследование изменения почвенных процессов вследствие распашки целины при различных видах землепользования. 3. Изучение динамики почвенных процессов в ходе начального почвообразования в техногенных экосистемах.

Научная новизна. Получены количественные оценки современных динамичных почвенных процессов. Показано, насколько в одних и тех же климатических и геоморфологических условиях интенсивный выпас приводит к снижению, а заповедание нарушенных пастбищ - увеличению запасов гумуса и азота в южных черноземах Хакасии. Выяснено происхождение второго максимума содержания нитратов ниже I м в пахотных южных карбонатных черноземах Северного Казахстана. Получены оценки коэффициента гумификации растительных остатков при самозарастании отвалов и коэффициента минерализации гумуса при паровании южного чернозема Северного Казахстана. Впервые выделены ЭПП трансформации состава почвенно-поглощающего комплекса и ЭПП трансформации состава почвенного раствора.

Публикации.апробация работы. Основные результаты исследований изложены в статьях, I находится в печати. Материал диссертации доложен на конференциях молодых ученых ИПА СО РАН (Новосибирск, 1981-1986 т.г.), на всесоюзном совещании "Продуктивность сенокосов и пастбищ" (Пущино, 1985), совещании "Кормовые угодья Сибири" (Новосибирск, 1988).

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введе- , ния, 5 глав, заключения и выводов. Общий объем - 141 страниц машинописного текста. Рукопись включает таблиц и 2 рисунков. Список литературы содержит '/45 источников, в том числе иностранных.

Глава I. СОВРЕТ.ГЕННЫЕ ШЗДСТЛВЛЕКШ ОБ ИЗМЕНЕНИИ ПОЧВ ВО ЕРЕЛЕНИ

Изменчивость почв во времени является неотъемлимой их особенностью. Различные аспекты изменения почв во времени затрагивались в работах практически всех крупных почвоведов (Докучаев, 1954; Коссович, 1916; Гедройц, 1975; Захаров, I93I; Полынов, 1954; Герасимов, 1976; Таргульян, 1982; Гадаиев, 1982; Геннадиев, 1986; Yaalon, 1971? Jenny, 1980)-

Почва, по современным представлениям, является сложной, открытой системой, состоящей из твердой, жидкой, газообразной и живой фаз (Роде, 1971). Многочисленность процессов взаимодействий между этими фазами, их разнокачественность и разно-масштабность реализации во времени и пространстве обуславливают необходимость их классификации. Первая попытка разделения почвенных процессов на составляющие была предпринята С.С. Неуструевым (1975), выделившим в каждом типе почвообразования более простые элементарные почвообразовательные процессы. Более развернутую классификацию разработал С.А.Захаров (1927). Он выделил 3 уровня почвенных процессов: I) элементарные физические^ химические и биологические процессы самого низшего уровня; 2) элементарные почвообразовательные процессы и 3) основные процессы почвообразования - высший уровень процессов, создающих отдельные типы почв. В дальнейшем эта схема лишь видоизменялась, не утрачивая СЕоей сути.В настоящее время об-щепризнана классификация процессов почвообразования, предложенная А.А.Роде (1971). Он разделил все процессы па следующие группы: процессы поступления вещества и энергии в почву и их выноса; процессы трансформации, происходящие в почвенном геле; процессы превращения физического состояния вещества в почве; процессы передвижения вещества :: энергии в почве. В пределах каждой из этих групп ваделяетсй ьнокество простейших явлений, реакций п почвообразовательны:: .шкропроцессэг, главной чертой которых явлчется их цикличность. Вследствие неполной обратимости в циклах е почве аккумулируются остаточные явления, накопление которых приводит к появлению новых качественных признаков - генетических горизонтов. Зти процессы получили название частных почвообразовательных процессов (Роде, 1971)

шш элементарных почвенных процессов (ЗИЛ) по И.П.Герасимову (1973). Сочетание ЭШ в совокупности слагает общий почвообразовательный процесс. Из этой классификации ясно видна их соподчшенность и разномасштабность реализации во времени. Длительность почвенных микропроцессов наиболее коротка, в большинстве случаев от суток до года. ЭШ, характеризующие поступательное развитие почв действуют в течение нескольких до десятков лет (Зонн, Травлеев, 1990). Общие процессы почвообразования, приводящие к формированию "зрелого" почвенного профиля проявляются в исторических масштабах времени.

Соответственно можно классифицировать и временные состояния и изменения, которые испытывает почва. Изменения циклического характера, совершаемые в почве микропроцессами, принято называть функционированием (Таргульян, 1985) или режимами. Изменения, вызываемые ЭШ, характеризуют направленное движение почв. Эти изменения предлагается называть динамикой, под которой мы понимаем многолетнюю ( п-1-п-ю лет) форму изменений скорости ЭШ и- их результатов (продуктов процесса), в том числе обусловленную антропогенной нагрузкой. Общие изменения в ходе почвообразовательных процессов, приводящих к формированию почвенных типов характеризуют эволюцию почв. Таким образом, основной упор при исследовании динамики почв приходится на ЗШ1. Разные авторы в настоящее время выделили от десятков до сотни и выше ЭШ (Герасимов, 1973; Буол и др., 1977; Розанов, 1975). О проявлении ЭШ судят по строению, составу и свойствам почвы, Б то же время сведения о ЭШ принципиально невыводамы из комбинации свойств почвы в цел« (Соколов, Таргульян, 1976). Расшифровка ЭШ возможна лишь с помощью экспериментальных методов. В этом отношении антропогенно-измененные почвы являются удобными моделями для познания сущности и количественной оценки текущих ЗИП. Для этого наиболее пригодны различные хроноряды почв, позволяющие проследить динамику почвенных процессов.

. Глава 2.- ОБШКШ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ

В качестве объектов исследования был выбран ряд антропогенно-измененных почв Сибири и Казахстана, отличающихся друг от друга глубиной трансформации. Критерием трансформи-

- С -

рованности почвы принята степень изменения почвенного профиля под влиянием антропогенной нагрузки. Рассматривались следующие случаи: I. Частичная трансформация, затрагивающая лишь самую верхнюю часть профиля под влиянием пастбищной нагрузки. 2. Глубокая трансформация, приводящая к разрыхлении части гумусового горизонта в результате распашки целинной почвы и 3. Полная трансформация, когда полностыэ исчезает ранее существовавшая почва и начинает формироваться новая молодая почва в техногенных экосистемах. Краткая характеристика природных условий районов исследований и объектов приведена в табл. I

Таблица I

Сравнительная характеристика исследованных почв

Ппкячятртть i 12жный \ южный i !лол°дае

I чернозем ■ чернозем почвы

Регион

Зона

Степень трансформации

Вид нагрузки

Направление изменений

Хроноряд, лет

Минусинская котловина

степь

частичная

пастбищная

восстановление деградация

0-17

'Казахский Назаровская

мелкосопочник котловина

степь лесостепь

глубокая полная

агрогенная техногенная

восстановление образование

деградация почвы агроценоз

0-30 0-25

Необходимо подчеркнуть, что предметом исследований явились не почвн сами по себе, а современные почвенные процессы и их динамика в крайних ситуациях - при разрушении сформировавшейся почвы в результате их деградации и образовании молодых почв в ходе начального почвообрззования.

Изменение почвенных процессов под влиянием пастбищной нагрузки различной интенсивности изучалось на Новониколавском стационаре Института географии СО РАИ, расположением в Кой-бальской степи Хакасии. Южный чернозем является типичным представителем почвенного покрова данной территории. На поли-гоне-трансекте, представляющим собой невысокую куэсту, южный чернозем занимает элювиальные и- трансэлювиальные позиции ка-тены. Для исследования были выбраны три участка, отличающиеся

между собой по степени пастбищной нагрузки: I. Пастбище под умеренным выпасом; 2. Пастбище под интенсивным выпасом и 3. Заповедованная в 1970 г. степь, ранее находившаяся под выпасом. Все три участка занимают одинаковое положение в рельефе - верхнюю часть склона южной экспозиции. Наблюдения проводились с 1985 по 1987 г.г. К этому времени продолжительность заповедания пастбищного участка и режима выпаса на двух других составила 17 лет. Общими особенностями южных черноземов датой территории является малая мощность гумусового горизонта и всего профиля (70-80 см). Содержание гумуса в верхних слоях составляет 4-5 %, емкость катионного обмена - 2030 мэкв/ЮО г почвы.

Влияние распашки и различного использования почвы в дальнейшем изучалось в 1979-1987 г.г. на Шортандинсксм стационаре, расположенном в зоне настоящих степей Северного Казахстана (Целиноградская обл,). Суть модельного эксперимента состояла в следующем. После отвальной вспашки в июле 1979 г. участок целины (1,5 га) был оставлен под парование и в 1981 г. разделен на 3 варианта - залежь, постоянный пар и агроценоз пшеницы. Заданные режимы сохранялись в течение всего периода исследования. Объектами сравнений служили целинный южный чернозем и почва 30-летнего агроценоза пшеницы.

Процессы начального почвообразования исследовались на самозарастающих отвалах Пазаровского углеразреза (Красноярский край). В первую серию входили неспланированные отвалы отсыпки 1986, 1979 и IS6I г.г., геоморфологически представляющие собой невысокие гряды. Вторая серия размещалась на внешнем транспортном отвале, отсыпанном и спланированном в 1957 г. Здесь было выбрано два участка: I - самозарастающий отвал 25-летнего возраста и II - спланированный в 1983 г. отвал, на котором в течение 6 лет проводились наблюдения над динамикой почвенных процессов. Породы обеих серий отвалов составлены из пестрой смеси третичных и четвертичных супесей, суглинков, алевролитов и аргиллитов, не токсичных для растительности.

Методологической основой исследований служил системный подход, согласно которому почва рассматривается в качестве компонента экосистемы. Почва сама состоит из ряда функциональных блоков, связанных меоду собой и окружающей средой

потоками вещества и энергии. В качестве функциональных блоков почвы выбраны наиболее важные, отличающиеся богатством внутренних и внешних связей - гумус почвы ("ядро" почвообразования) почвенно-поглощающий комплекс и почвенный раствор

Химические анализы почв и почвенных растворок выполнены общепринятыми методами. Погодичная динамика содержания гумуса изучалась исходя из августовского срока отбора- проб, который соответствует наиболее стабильному состоянию гумуса (Дергачева, 1984; Макаров,1976). В связи со значительным содержанием углистых частиц в породах отвалов органический углерод определялся после их отделения от субстрата в тяжелой жидкости (гаС12, 1,8 г/см3). Экспериментальное изучение вертикальной миграции нитратов в распаханных южных черноземах проводилось в естественных полевых условиях с изолированными монолитами.

Глава 3. ИЗМЕНЕНИЕ ПОЧВЕННЫХ ПРОЦЕССОВ ПОД ВЛИЯНИЕМ ПАСТБИЩНОЙ НАГРУЗКИ

В степной зоне пастбищная нагрузка наряду с распашкой почв является одной из распространенных форм антропогенного воздействия. Изученность изменений почв под влиянием выпаса в настоящее время недостаточна. Имеются лишь отрывочные сведения, касающиеся изменения отдельных свойств почв (Горшкова, 1955; 1988; Злотин и др.,1979; Базилевач, Семеток, 1983; Снытко и др., 1984;

Основные изменения, происходящие в экосистеме и почве под влиянием пастбищной нагрузки различной интенсивности, представлены в табл. 2. Главным фактором, определяющим направление процессов почвообразования при разных режимах выпаса, является изменение фитокомпонента экосистемы. Заповедайте деградированных пастбищ сопровождается трансформацией видового состава растительности, приводящей к изменению структуры растительного вещества. За 15 лет восстановления особенно резко возросли запасы ветоши и подстилки (в 12 раз), а усиленный выпас за этот же срок способствовал их снижению в 3 раза (Афанасьев, Ротова, 1986). Различия в запасах надземной мортмассы оказывают значительное влияние на гидротерми- . ческий режим южного чернозема. Накопление подстилки на запо-

ведном участке способствует меньшему прогреванию почвы и сохранению запасов влага. Уменьшение запасов подстилки и ветоши при усиленном выпасе, напротив, приводят к большему прогреванию почвы и уменьшению запасов влаги. Следовательно, заповедный режим сдвигает гидротермический режим в сторону мезофитизации, а усиленный выпас - ксерофитизации, что, наряду с различиями в поступлении растительного вещества отражается на интенсивности почвенных процессов.

Гумус. По сравнению с почвой пастбища под умеренной нагрузкой усиление выпаса приводит к снижению содержания гумуса в верхнем слое южного чернозема примерно на I % (абс.), а заповедание - к некоторому его увеличению, что приводит к различию запасов гумуса между почвой на 3 и ^ на 17 т/та (табл. 2). Основным фактором, влиящим на процессы гумус она-

Таблица 2

Влияние пастбищной нагрузки на экосистему и почву

1 Показатель j з Î : п ; П1 "

О Зеленая фитомасса, г/м 154 64 22

Ветошь+подстилка, г/м^ 400 ПО 58

Корневая масса, г/м^ 2040 2220 1690

t почвы, 2и см, °С 22 26 32

Запас влаги в почве, г,м в слое 0-50. см НО 98 79

Объемная масса, г/см3 0,98 1,04 1,10

Сорг , % в слое 0-10 см 5,23 5,13 4,03

1*умус, т/га в слое JS-20 см 98 95 81

N 0рГ ,т/га в слое 0-20 см 5,2 4,5 4,2

N (¿:NH4 0,35 0,77 2,30

ЕКО, мэкв/100 г, 0-IG см 23,4 21,7 17,0

С„пт, почвенных вод, мг/л 42 18 9

OUI .

Са^+ почвенных вод, мг/л 12 23 70

Условные обозначения: 3 -заповедный участок; II - пастбище под умеренным вкпасом; ïïj -пастбище под усиленным вшасгая

- lu -

копления при различных режимах випаса является изменение соотношения процессов гумификации растительных остатков и минерализации гумуса. Уменьшение поступления растительного вещества при интенсивном выпасе приводит к снижению интенсивности гумификации, а увеличение температуры - к повышению интенсивности минерализации гумуса, что ведет к снижению запасов гумуса. Заповедный режим способствует увеличению поступления растительных остатков и интенсивности их гумификации, вследствие чего запасы гумуса в почве увеличиваются. Такие же тенденции выявляются и в изменениях запасов азота.

Почвенно-поглощакиций комплекс. Изменение состава обменных оснований и емкости катионного обмена при заповедании и усилении выпаса аналогичны изменениям содержания и запасов гумуса в почве, так как они происходят в основном за счет органической части почвенно-поглощающего комплекса. Различия в величине ЕКО исследуемых участков связаны в основном с содержанием обменного кальция, а содержание обменного магния практически не меняется.

Почвенный раствор. Почвенные воды заповедного участка обогащены водорастворимым углеродом. В то же время содержание кальция здесь меньше, чем в лизиметрических водах пастбищ П и Пр С увеличением интенсивности выпаса содержание углерода снижается, что связано с уменьшением запасов разлагающихся растительных остатков. Выявленные закономерности изменения состава почвенных растворов тесно связаны с особенностями процессов гумусонакопления при различных режимах выпаса.

Таким образом, режим выпаса является определяющим фактором динамики почвенных процессов. При усилении выпаса южные черноземы приобретают черты более южных темно-каштановых: почв, а при заповедании - более северных обыкновенных черноземов.

Глава 4. ДИНАМИКА ПОЧВЕННЫХ ПРОЦЕССОВ ПОСЛЕ РАСПАЕКИ ЦЕЛИННЫХ КП-ШХ ЧЕРНОЗЕМОВ И ИХ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННО.! ИСПОЛЬЗОВАНИИ

Распашка целинных почв - наиболее распространенный вид антропогенной нагрузки, приводящая к кардинальным изме-

нениям почвенных процессов. Б результате уничтожения естественной растительности, исчезновения подстилки и разрушения дернины резко изменяется экологическая обстановка почвообразования и прерывается естественный ход развития почв. Основными причинами, вызывающими трансформацию почвенных процессов после распашки целины, являются резкое уменьшение поступления растительных остатков в почву и изменение гидротермического режима почв. В агроценозах пшеницы, возникающих на месте настоящей степи на южных карбонатных черноземах Северного Казахстана, чистая первичная продукция снижается в 2 раза по сравнению со степью, что наряду с отчуждением урожая приводит к уменьшению входа растительного вещества в почву в 3 раза (Титлянова и др., 1984). Вследствие смены растительности и разрыхления верхнего слоя почвы температурный режим становится более континентальным, а водный сдвигается в сторону некоторой гумэдизации (Коко-вина, 1983; Полупан, 1977). По нашим данным в первые годы после распашки целинного южного чернозема температура верхних слоев 0-20 см почвы в летний период возрастает на 4-6°, а влажность - на 10-15 %. Изменение экологических условий приводит к изменению почвенных процессов сначала на микропроцессном уровне, а затем и на уровне ЭПП.

Гумус. Распашка целинного южного чернозема привела к значительндау снижению содержания и запасов тимуса в верхних горизонтах. Наиболее быстрые темпы потерь наблюдались в первые 3-4 года (табл. 3). Содержание 1тмуса в обрабаты-

Таблица 3

Содержание гумуса в почве, мае.%, 0-27 см

Год ы г---г— ! т ! --1 11 ! * ! V, ?

1979 5,26 0,0526 16 0,2038 6,6

1980 5,03 0,0656 16 0,2626 8,9

1981 4,90 0,1952 16 0,1952 27,4

1982 4,78 0,0692 14 0,2589 9,3

1983 4,68 0,0675 15 0,2467 9,0

Примечание: 1979 г. - целина

ваемом слое за этот период снизилось на 0,58 абс.%, а общие запасы - на 17 %. Характер изменения на первой стадии носит одинаковый характер во всех исследованных вариантах. В дальнейшем динамика процессов гумусонакопления определяется способом использования почвы (табл. 4). При постоянном

Таблица 4

Запасы гумуса в почве, т/га в слое 0-27 см

Целина ! Черный пар ! Залежь ! Агроценоз ! Агроценоз ! \В лет) ! (8 лет)! (8 лет) ! (25 лет)

153 124 141 130 133

паровании снижение запасов гумуса продолжалось и через 8 лет после распашки потери составили 29 т/га. Бессменное парование позволило полутать оценку коэффициента минерализации гумуса южных черноземов, который составил около 2 %. При трансформации распаханной целины в агроценоз запасы гумуса также снижались, но с более низкой скоростью, что связано с ежегодным поступлением свежего растительного вещества. Применение плоскорезной обработки способствовало неко- . торому накоплению гумуса в почве: в 30-летнем агроценозе пшеницы запасы гумуса возросли на 3 т/га в основном за счет слоя 0-10 см вследствие оставления соломы и стери. На самозарастающем участке (залежь) после начального снижения наблюдалось прогрессивное накопление гумуса. Однако даже через 8 лет после распашки восстановилось лишь 90 % запасов гумуса от уровня целинной почвы.

Почвенно-поглощающий комплекс. В целинном черноземе ЕКО (в слое Ü-27 см) составляет 30,3 мэкв/100 г почвы, в том числе: Са 22,0; Mg5,8; К 1,9;и а 0,6 мэкв/100 г. Через 4 года после распашки ЕКО снизилась приблизительно до 23 мэкв/100 г в основном за счет кальция. При бессменном паровании произошло дальнейшее сниненне до 21 мэкв/100 г. Поступление хишческпх элементов с расти тельными остатками в агроценозе пшеницы и залежи способствовало увеличешж до 21,5 и 30,5 мэкв/100 г соответственно. В целом, наши исследования подтверждают тесную корреляцию между изменениями ЕКО и дина?ликой процессов гумусонакопления после распашки

целины и различном использовании почвы.

Почвенный раствор. Исследование состава лизиметрических вод целинного южного чернозема выявилю существенную роль подстилки, запасы которой достигают 4 т/га,в процессах почвообразования. Почвенные воды, вымывающиеся из подстплки содержат значительные количества углерода и азота (80-130 и 25-35 мг/л соответственно), кальция (до 50 мг/л), магния (до 30 мг/л) и калия (до 50 мг/л). Распашка вызвала трансформацию состава лизиметрических вод. Резко снизилась концентрация углерода (в 3-5 раз) и наблюдалось прогрессивное увеличение концентрации типоморфных элементов, особенно кальция - до 200 мг/л. Наиболее глубокие изменения произошли в анионной части: если в почвенных водах целинной почвы нитраты практически отсутствуют, то после распашки их концентрация достигает огромных величин (до 200 ьп^ -И Од/л). Это указывает на резкую активизацию процесса нитрификации после распашки почвы, вследствие чего в почве накапливаются высокие запасы нитратов. Через 4 года после 'распашки в толще почвы 0-200 см запасы нитратов ■ составили в залежи 357 кг/аг, агроценозе - 475 кг/га и черном пару - 537 кг/га. Исследования показали, что накопление нитратов в почве сопровождается процессами их перераспределения по профилю в результате миграции с гравитационными потока!,га влаги (Афанасьев, 1582; 1984). Миграция нитратов происходит компактно с ясно выраженным максимумом их содержания, который через 4 года после раппашки был обнаружен на глубине 40 см, а через 8 лет - на глубине 100-110 см. Ранее было показано, что в профиле почвы 25-летнего агроценоза максимум нитратов приурочен к такому же слою почвы (Титлянова и др., 1979). Следовательно, процессы миграции нитратов в распаханных южных черноземах происходят с высокой скоростью, что может способствовать выходу азота из биологического круговорота.

Таким образом, проведенные исследования свидетельствуют о высокой динамичности почвенных процессов в распаханных юк-ных черноземах. Наиболее быстрые изменения происходят в первые 3-4 года и проявляются в снижении содержания и запасов гумуса, ЕКО и трансформации состава почвенных раствороз. Одной из причин быстрого падения запасов гумуса в первые гожы после распашки целины наряду с резким уменьшением поступления растительных остатков является, на наш взгляд, высокая нитри-

фикационная способность шннх карбонатных черноземов. В результате этого процесса в почве кроме нитратов продуцируются также протоны согласно уравнению:

N Н4 + 2 HgO N 03 10 11+ + В в (84 ккал)

Протоны, обладающие высокой энергией поглощения, вытесняют из органической части ППК катионы кальция и магния, вследствие чего в почве происходит как снижение содержания пумуса ЕКО, так и обогащение почвенного раствора нитратами и типо-морфными элементами. Косвенным подтверждением этому предположению могут служить факты снижения содержания гумуса почвы при применении высоких доз азотных удобрений (Носко, 1987; Руделев, 1985).

Глава 5. ДИНАМКА ПРОЦЕССОВ ОБРАЗОВАНИЯ ПОЧШ В ТЕХНОГЕННЫХ .ШЦЩ1ЛФТЛХ гЛТСКа

Исследованная территория характеризуется благоприятными климатическими показателями. Среднемноголегняя суша осадков составляет около 450 им, на теплый период года приходится до Su %. Среднегодовая тешература - окаю -I'. Высокая сумма выпадающих осадков'обеспечивает хорошее увлажнение формирующихся молодых почв. Наблюдениями установлено, что весеннее промачивание охватывает верхнюю толщу 0-150 см. Общие запасы влаги в течение вегетационного периода колеблются в пределах 320-420 мм (в толще 0-150 см) и значительно превышают уровень соответствующий ВЗ (220 ш).

Наличие склонов различной крутизны в рельефе техногенных ландшафтов обуславливает разнообразие гидротермических условий формирующихся почв. Элювиальные позиции катены характеризуются ыаксималыпмл температурами и минимальными значениями влажности верхних слоев, в аккумулятивных позициях наблюдается обратная картина. Различия в гидротермпческих условиях прослеживаются уже с момента отсыпки отвалов и достигают наибольшего ко^раста в катенах 25-летнего возраста, где разница в температуре верхних слоев достигает 10°, а влажности - 25

Благоприятные гидротермпческие условия к нетоксичность пород отвалов способствуют быстрому их зарастанию, увеличению продукция растительности. Наличие первоначального пула микро-

организмов в породах (Напрасникова, Никитина, IS84) и быстрое увеличение их биомассы в ходе сукцессии (Наумова, 1989) способствуют процессам разложения растительных остатков и их гумификации.

Гумус. Динамика накопления гумуса в ходе самозарастания техногенных отвалов характеризуется следующими особенностями. Исходное содержание органического углерода в породах отвалов составило ü,II %. В первые 2-3 года сукцессии раститёльности накопление гумуса шло крайне замедленно. Достоверное увеличение содержания органического углерода (С0рГ ) зафиксировано лишь в верхнем слое U-I см до 0,7 %. Это связано с тем, что в этот период шло в основном формирование продукционного звена биологического круговорота и разложению подвергались только надземные растительные остатки. Начиная с третьего года интенсивность процесса гумусонакопления резко возросла в связи с увеличением разложения подземных растительных остатков. Накопление гумуса наиболее выражено в верхнем 0-1 см слое, в котором за 5 лет содержание С0рГ> достигло 2 %. В нижележащем 1-5 см слое за этот ice срок его содержание возросло лишь до 0,7 %. На 6-ой год произошло некоторое снижение содержания С^ до 1,5 %, что указывает на проявление процесса минерализации свенеобразованного гумуса. В целом за 6 лет почвообразования в слое 0-5 см накопилось 550 г/м2 органического углерода. Таким образом, начальные этапы почвообразования в техногенных ландшафтах характеризуются активным проявлением ЗИЛ гумусонакопления, благодаря чему по содержанию гумуса в верхнем 0-5 см слое молодые почвы приближаются к уровню лугово-черноземных почв окружающей территории (около 13 %).

Установлено, что накопление гумуса наиболее интенсивно протекает в аккумулятивной позиции катены, где содержание гумуса в верхнем 0-5 см слое через 25 лет достигло уровня лугово-черноземных почв. Выявлены существенные различия скорости накопления гумуса на различных стадиях начального почвообразования. В первые 7-8 лет скорость накопления С0рГ> в зависимости от позиции в рельефе составляет 2-90 г/м в год, в последующие 17-18 лет - 70-130 г/м2. Такие же закономерности характерны и для почвообразования на внешних отвалах, где скорость накопления гумуса варьирует в пределах 40-170 г/м^

- 1G -

в год с явно выраженным ускорением на промежуточных этапах.

Одновременное исследование продукционно-Деструкционных процессов и накопления гумуса в молодых почвах позволило оценить величину коэффициента гумификации растительных остатков (табл. 5). Суммарно за 6 лет почвообразования на внешних отвалах коэффициент гумификации составил около 20 %.

Таблица 5

Коэффициент гумификации в ходе почвообразования

Показатель_■ 1-3-й год}'4-5-й год-6-й год-за 6 лет

884 1169 253 2286

116 321 41 478

13 27 18 21

Почвенно-поглощающий комплекс. Исходные породы характеризуются низкой величиной ЕКО (около 6 мэкв/100 субстрата), что объясняется легким их механическим составом. В составе обменных катионов преобладает кальций (75 %), магния намного меньше - 20 %. В первые 2-3 года начального почвообразования произошло некоторое снижение ЕКО, связанное как с выносом тонких фракций минералов, так и нейтрализацией их свободной энергии свежеобразованными гумусовыми веществами. В дальнейшем, с накоплением гумуса в почве ЕКО прогрессивно увеличивается. Установлено, что соотношение Са:Мз , равное около 5, практически не изменяется в течение всегопериода почвообразования. Следовательно, динамика свойств ППК характеризуется изменением только количественных параметров, а качественный состав трансформируется незначительно.

Почвенный раствор. В составе лизиметрических вод абсолютно преобладает кальций, магния содержится значительно меньше. Максимальные их концентрации зарегистрированы в первые 3 года почвообразования - 130 и 25 мг/л соответственно. Через 5-6 лет их содержание приближается к уровню, характерному для молодой почвы 25-летнего возраста и лугово-чернозем-ной почвы. Уменьшение концентрации Са и Мд связано в основном их участием в формировании гумуса. Соотношение Са:Мд в соста-

Разложилось морт-массы, гС/м*-период

Накопилось гумуса, хС/м1- период

Коэффициент гумификации, %

ве потаенного раствора в ходе почвообразования практически не изменяется и составляет, как и в почвенно-поглощагацем комплексе, около 5, что свидетельствует о глубоких связях между этими компонентами .

В целом, динамика процессов образования почвы отличаются различной скоростью изменений функциональных компонентов и разным сочетанием прогрессивных и регрессивных явле-йиина отдельных стадиях начального почвообразования.

вывода

1. Частичная, глубокая и полная трансформация естественных почв, вызванная антропогенным воздействием, приводят к нарушению баланса процессов почвообразования. Вследствие изменения разнонаправленных почвенных процессов антропогенная динамика почв может иметь прогрессивный или регрессивный характер в зависимости от режима их использования.

2. В динамике почвенных процессов под влиянием пастбищной нагрузки ведущую роль играет изменение фитокомпонента экосистемы. Увеличение интенсивности выпаса сдвигает почвенные процессы в сторону, характерную для более аридных зон. Восстановление растительности при заповедании пастбищных участков, напротив, приводит к некоторой гумидизации почв.

3. В динамике почвенных процессов, вызванных распашкой и различным использованием южных черноземов можно выделить две стадии. На первой стадии, охватывающей 3-4 года, происходит глубокая деградация почвы - резкое снижение запасов гумуса, емкости катионного обмена и трансформация состава почвенного раствора. На второй стадии в зависимости от способа использования направление и скорость изменений определяется характером биологического круговорота.

4. Сравнимый размах изменений южных черноземов Сибири и Северного Казахстана под влиянием пастбищной нагрузки и распашки указывают на общие тенденции антропогенной динамики почв и глубокую связь между процессами почвообразования и биологическим круговоротом.

5. Начальное почвообразование в техногенных экосистемах КАТЭКа характеризуется высокими тешами накопления органического вещества почвы. Направление и скорость ЗПП гумусо-

накопления оказывает значительное влияние на формирование почвенно-поглощающего комплекса и состав почвенных растворов.

7. Высокая изменчивость почвенных процессов в ходе антропогенной динамики подтверждает понимание почвы как сложной открытой системы, для которой характерны процессы обмена веществом и энергией как между почвой и окружающей средой, так и между компонентами самой почвы. В этих процессах, особенно быстропротекающих, огромная роль принадлежит биологическому круговороту.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЖЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Мордкович В.Г., Афанасьев H.A. Трансформация степной подстилки жуками-чернотелками // Экология, 1980, № 3, С.56-62

2. Афанасьев H.A. Моделирование передвижения нитратов в южном карбонатном черноземе // Изв. СО АН СССР, сер. биол. наук, выл. I, 198 , № 5. С. 58-63.

3. Афанасьев H.A. Экспериментальное изучение миграции нитратов // Агроценозы степной зоны. Новосибирск: Наука, 1984. С. 50-55.

4. Афанасьев H.A., Ротова Н.П. Влияние пастбищной нагрузки на степные экосистемы // Продуктивность сенокосов и пастбищ. Новосибирск: Наука, 1986. С. 59-61.

5. -Афанасьев H.A., Косых Н.П. Влияние пастбищной нагрузки на растительность и почвы Койбальской степи // Науч.-техн. бюл. ВАСХНИЛ СО Сиб. НИИ Кормов, 1989, J5 2. С. 59-61.

6. Афанасьев H.A. Влияние распашки и различных форл сельскохозяйственного использования на почвенные процессы южного карбонатного чернозема Северного Казахстана // Почвообразование и антропогенез: структурно-функциональные аспекты. Новосибирск: Наука, 1991. С. 64-73.

7. Афанасьев H.A. Почвообразование в ходе сукцессии // Сукцессии и биологический круговорот (в печати).

тс _