Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему

Динамика свойств эродированных серых лесных почв под воздействием многолетних трав

ВАК РФ 06.01.03, Агропочвоведение и агрофизика

Текст научной работыДиссертация по сельскому хозяйству, кандидата сельскохозяйственных наук, Кириллова, Суфия Семеновна, Уфа

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК УФИМСКИЙ НАУЧНЫ ЦЕНТР ИНСТИТУТ БИОЛОГИИ

На правах рукописи

КИРИЛЛОВА СУФИЯ СЕМЕНОВНА

ДИНАМИКА СВОЙСТВ ЭРОДИРОВАННЫХ СЕРЫХ ЛЕСНЫХ ПОЧВ ПОД ВОЗДЕЙСТВИЕМ МНОГОЛЕТНИХ ТРАВ

Об. 01. 03 - агропочвоведение

Диссертация на соискание ученой степени кандидата сельскохозяйственных наук

Научный руководитель: член-корр. АН РБ доктор биологических наук, профессор Ф. X Хазиев

Уфа 1999

СОДЕРЖАНИЕ

Введение ................................................3

Глава 1. Влияние многолетних трав на плодородие почв.... 6 Глава 2. Методика и условия проведения исследований ....21 Глава 3. Изменение физических свойств эродированных серых лесных почв под многолетними травами ...................25

3.1 Гранулометрический состав почвы..............25

3.2 Структурно-агрегатный состав .................30

3.3 Водно-физические свойства ....................40

3.4 Физико-химические свойства....................50

Глава 4. Влияние многолетних трав на гумусное состояние эродированных серых лесных почв.........................54

4.1 Накопление органических остатков..............62

4.2 Накопление гумуса.............................70

4.3 Изменение качественного состава гумуса........77

Глава 5. Биологическая активность эродированных серых лесных почв и изменение ее при залужении................89

5.1 Ферментативная активность.....................89

5.2 Корреляционные связи активности ферментов со свойствами почвы..............................97

5.3 Дыхание почв.................................. 100

5.4 Содержание хлорофилла........................103

Выводы................................................104

Практические рекомендации..............................105

Список литературы......................................106

Приложения.............................................125

- 3 -ВВЕДЕНИЕ

Проблема рационального использования природных ресурсов, их воспроизводства и охраны являются экономической, социальной и даже политической проблемой.

Человечество для удовлетворения своих потребностей использует окружающую среду и продукцию сообществ, однако многие изменения, вызываемые деятельностью человека, приводят к непридви-денным последствиям, противоречащим его интересам.

Изучение подобных изменений в биоценозах с целью изыскания способов их предотвращения является актуальнейшей задачей.

Важнейшим компонентом биоценозов является почва. Через почву осуществляется круговорот питательных веществ между биотической и абиотической частями биоценозов. Одним из явлений, снижающих плодородие почвы, является эрозия. Эрозия вызванная деятельностью человека, нередко достигает катострофических размеров. По данным ФАО (Продовольственная и сельскохозяйственная организация ООН) эрозией почв затронуто 15 % территории всех обрабатываемых земель в мире. Ежегодные потери от эрозии составляют более 4 миллиардов долларов. Межведомственная комиссия по экологической безопасности Совета безопасности Российской Федерации в октябре 1993 года рассмотрела вопрос о необходимости срочных мер, направленных на предовращение дальнейшей деградации почв как угрозы национальной безопасности страны.

Таким образом защита почв от эрозии, повышение продуктивности эродированных земель имеют как экономическое, так и социально-политическое значение.

Актуальность темы. Одним из факторов, вызывающих деградацию почв, является эрозия. Эрозия почвы, вызванная деятельностью человека, нередко достигает катастрофических размеров. Характерные признаки эродированных почв: нарушение морфологии, структуры, снижение содержания гумуса, изменения его состава, снижение биологической активности и, в конечном счете, деградация почв, уничтожение ее как природного тела. В Башкортостане эрозии подвержено более 50 % пашни, за последние 20 лет площадь эродированных почв увеличилась на 405 тыс. га и достигла более 4 млн га.

Данные исследования по изучению процессов эрозии и борьбы с ее последствиями проводились в зоне северной лесостепи Башкортостана. Общая площадь этой зоны составляет 32,4 тыс.кв.км. В

этой зоне около 75 % пашни расположено на склонах. В настоящее время из-за неправильного использования склоновых земель вся эта площадь в той или иной степени подвержена эрозионным процессам. Значительный ущерб, причиняемый водной эрозией, вызывает необходимость необходимость разработки приемов для устранения процессов водной эрозии, а также изучение возможности повышения плодородия почв, уже затронутых эрозией.

Для оптимизации свойств эродированных почв необходим комплекс мероприятий, важнейшим звеном которого является создание агрофитоценозов, с преобладанием многолетних трав. Многолетние травы, во-первых, надежно защищают почву от дальнейшего смыва, во-вторых, улучшают структурно-агрегатное состояние, а отсюда и другие важнейшие водно-физические свойства почвы, в-третьих, повышают содержание гумуса и улучшают его качественный состав и, наконец, залужение это наиболее дешевый и экологически чистый способ повышения плодородия эродированных почв.

В целях предотвращения процессов эрозии и восстановления почвенного плодородия согласно Постановлению Кабинета Министров РБ от 27 августа 1996 года N 254 должна проводиться инвентаризация сельскохозяйственных угодий с целью выявления эродированных почв и перевода их под сенокосы и пастбища. Поэтому настоятельно требуется изучение эффективности различных видов многолетних трав на почвах разной степени эродированности, уровень их влияния на повышение плодородия при разной длительности их выращивания.

Цель и задачи исследований. Целью данной работы является установление направления почвообразовательного процесса в эродированных серых лесных почвах при залужении их многолетними травами. Исходя из цели исследований решались следующие задачи:

- Изучить особенности развития многолетних трав на серых лесных почвах разной степени эродированности.

- Выявить основные тенденции изменения морфологических, водно-физических, физико-химических свойств эродированных серых лесных почв под действием многолетних трав.

- Оценить гумусное состояние эродированных серых лесных и изменение его при различных сроках возделывания многолетних трав.

- Определить ферментативную активность эродированных почв и изменение ее под многолетними травами, установить скорость восстановления биологической активности почвы под травянистыми

агрофитоценозами.

Научная новизна. Дана комплексная характеристика изменений свойств эродированных серых лесных почв при залужении многолетними травами. Под многолетними травами восстанавливается структурно-агрегатный состав эродированных почв, улучшаются водно-физические характеристики почв. В эродированных почвах повышается содержание гумуса, оптимизируется гумусное состояние. Впервые в регионе дается количественная оценка содержания хлорофилла, служащего индикатором напряженности биохимических процессов в эродированных почвах и под многолетними травами.

При залужении эродированных серых лесных почв многолетними травами формируется новый почвеннный профиль, который по сочетанию основных свойств и уровню плодородия приближается к неэроди-рованным аналогам.

Практическая значимость. Показано, что при залужении многолетними травами на значительных площадях эродированных почв остановливаются эрозионные процессы, восстановливается плодородие почв, неудобные, бросовые земли становятся продуктивными кормовыми угодьями. Темпы восстановления эродированных почв зависят от степени эродированности и выбора вида многолетних трав. Обоснована целесообразность залужения эродированных серых лесных почв. Фактический материал диссертации используется при проведении учебных занятий по курсу "Практическая биология" в БГПИ.

Глава 1. Влияние многолетних трав на плодородие почв

Эрозия почв и другие деградационные процессы могут привести к экологической катастрофе (Розанов, 1987). Эрозионные процессы ведут к физическому уничтожению почв, часто к непоправимому понижению их плодородия и к нарушению роли почвы в нормальном круговороте веществ в биосфере. Поэтому, как подчеркивает М.Н.Заславский (1979), должен цениться каждый гектар сельскохозяйственных угодий, который мы можем и должны спасти от эрозии.

Известно, что из-за потери гумуса и минеральных элементов питания растений, ухудшения физических свойств, усиления почвенной засухи, ухудшения условий для развития полезной микрофлоры, а также их-за механического повреждения растений струйчатыми размывами и промоинами на склонах с эродированными почвами снижаются урожаи сельскохозяйственных культур. В одной только республике Башкортостан вследствие эрозионных процессов ежегодно не добирается до 600-700 тыс. т зерна и свыше 100 тыс т кормовых единиц.

Наряду со снижением урожая и ухудшением его качества на эродированных почвах повышается себестоимость продукции. Нередко затраты на семена и обработку не окупаются доходами, получаемыми от реализации продукции, выращенной на сильносмытых почвах. Поэтому большие площади пахотных земель с сильносмытыми и размытыми почвами исключается из сельскохозяйственного оборота.

Восстановление плодородия эродированных почв - процесс достаточно длительный, связанный с большими затратами. На Восьмом съезде Всесоюзного общества почвоведов отмечалось, что в условиях интенсивного земледелия почву на склонах необходимо считать невосполнимым природным ресурсом, и при выращивании урожаев различных культур сохранение и постоянное повышение плодородия почв необходимо ставить на первое место, а вопросы экономичности и удобства механизации работ должны быть на втором месте почвозащитного земледелия (Федоров и др., 1985; Татаринцев и др., 1985).

Основным принципом почвозащитного земледелия должно явиться положение, что почву должны защищать в первую очередь сами растения, в основном многолетние травы (Лысак, 1981; Шарашова и др., 1982; Жилко и др., 1985; Федоров и др., 1986).

Исследователи отмечают, что многолетние травы являются самым надежным биологическим средством защиты почв от эрозии (Беляев, 1976; Бошляков, Магомедов, 1979; Бялый, 1981; Тончев; 1982; Кант, 1982; Рамазанов, 1989; Minoz, 1968; Holy, Vrana, 1970; 1970; Filipovie, Dusik, 1974; Freefairn, Boughton, 1981). Многолетние травы практически полностью прекращают эрозионные процессы, закрепляя почву мощноразвитой корневой системой.

Залужением склонов многолетними травами решаются три основные задачи: во-первых, неудобные земли становятся высокопродуктивными кормовыми угодьями, во-вторых, бросовые участки вводятся в сельскохозяйственное пользование, и, в-третьих, на значительных площадях прекращаются процессы эрозии, восстанавливается плодородие почв.

По данным Н.А.Сосова (1979), после многолетних трав уже на первый год смыв уменьшился в 2 раза, а на второй год смью полностью прекратился. Г.Тончев и А.Джингов (1982) указали, что по сравнению с черным паром многолетние травы и травосмеси уменьшали сток воды в 2-5 раз, а потери почвы в 35-90 раз. Г.Я.Янковский и А.В.Сушкинас (1985) отмечают, что с паровых полей, расположенных на склонах, за пять лет смывается почвы более 175 т/га, а со склонов, занятых многолетними травами - лишь 0,1 т/га. Причем наибольшей почвозащитной способностью обладают бо-бово-злаковые смеси (Овчинников, Сосов, 1977; Hoyt., Hargrove, 1986).

Что касается чистых посевов, то наилучшие почвозащитные свойства имеют злаковые травы, мощная корневая система которых создает биологический "панцирь", который предохраняет почву от эрозии (Хлопков, 1971; Михайлова, 1989). По мнению ряда исследо-автелей (Яковлев, 1940; Ткаченко, 1958; Джингов, 1972; Исматов, Азимов, 1972; Беляев, 1976), растения со стержневой корневой системой, такой как у бобовых, обладают низкими почвозащитными свойствами и почти не препятствуют эрозии. По данным Т.Г.Заболоцкой (1985), масса корней злаковых преобладает над массой корней клевера во все годы за исключением 1-го года жизни.

Эрозия изменяет характер и направленность почвообразовательного процесса: скорость разрушения почвенного профиля преобладает над скоростью гумусообразования. Многолетние травы, останавливая эрозию, способствуют тому, что биохимические процессы, происходящие в почве, изменяются в направлении восстановления

нарушенного равновесия. Под влиянием многолетних трав в почве увеличивается запас гумуса, азота, улучшается микроагрегатный состав, изменяется в лучшую сторону структура, связность, скважность, водоудерживающая и водопоглотительная способность почв (Кук, 1970; Чебыкина, 1978; Станков, 1984; Заболоцкая, 1985).

Корневая система выполняет большую роль в биологическом перераспределении элементов питания из более глубоких горизонтов почвы в верхние. По данным И.А.Овчинникова (1976), после многолетних трав в почве накапливается от 77,9 до 107,3 центнера на гектар корневых остатков, в то же время зерновые культуры, особенно на эродированных почвах, оставляют корней в 5-10 раз меньше.

В формировании почвенного плодородия важная роль принадлежит гумусу, содержание, запасы и состав которого практически определяют все агрономически ценные свойства и продуктивность почв. Уменьшение содержания гумуса в почве на 1% приводит к снижению урожайности сельскохозяйственных культур на 5 ц з.е./га, поэтому ежегодный недобор урожая только из-за убыли гумуса в целом по России составляет 40 млн.т зерновых единиц (Попов и др., 1986). По выражению А.И.Лыкова (1982), гумус является стражем плодородия.

Известно, что эрозионные процессы прежде всего значительно уменьшают в почве содержание органического вещества, гумуса, что отражается на снижении потенциального плодородия почв (Орлов, Танасиенко, 1975; Заславский, 1979; Лавровский и др., 1987; Ха-зиев и др., 1988; Тейт, 1991; Paul, 1979; Hanotiaux, 1988).

С количеством и качеством гумуса тесно связаны важнейшие физические и физико-химические свойства почвы, ее водный, воздушный, тепловой режимы. Обладая способностью склеивать, цементировать частицы почвы, гумус препятствует распылению, обуславливает противоэрозионную устойчивость почвы. На это указали многочисленные исследования (Соболев, 1948; Сильвестров, 1955; Гуссак, 1959; Заславский, 1979; Данилова, 1994; Tissdal, Oades, 1982; и др.). И.Б.Гуссак подчеркивал, что основным фактором стойкости почвы является ее органическое вещество, но роль его тогда лишь значительна, когда оно представлено свежеобразованным гумусом. A.C.Рачинскас (1983) отмечает, что гумус повышает эрозионную стойкость тем, что упрочняет их структуру: между содержанием гумуса и сопротивлением агрегата к расплыванию в воде су-

- 9 -

ществует статистически значимя связь.

Многолетние травы способствуют интенсивному накоплению гумуса (Кузнецов, 1952; Шатилов, 1969; Cay и др., 1976; Воронова, Мамытов, 1981; Заславский, 1983; Жилко, Трегубова, 1983; Тюрина- Зейналашвили, Арсланова, 1984, 1986; Oades, 1986 и др.). Отмечается, что по степени обогащения почвы органическим веществом первое место принадлежит многолетним травам. Многолетние травы 2-го года пользования оставляют на поле в два с лишним раза больше органических веществ, чем любая из зерновых культур независимо от уровня минерального питания (Шатилов и др., 1985; Кузьменко, Примак, 1985). Причем скорость накопления гумуса при возделывании многолетних трав выше на эродированных почвах. На однотипных неэродированных почвах в этом отношении относительная эффективность трав ниже, В начальный период почвообразования скорость гумусонакопления более высокая (Иенни, 1948; Рейнтам, Погорелова, 1986), а затем процесс затухает, и на определенной стадии дальнейшего накопления гумуса не происходит, т.е. наступает предел, при котором содержание в почве гумуса соответствует данным условиям почвообразования (Тюрин, 1965; Cay, 1983; Рейтам, Погорелова, 1986). В дальнейшем превращение растительных остатков, поступающих в почву в виде опада и корней, идет не по пути накопления гумуса, а по пути обновления гумусовых веществ. Результаты модельного и полевого опытов А.Д.Фокина (1978) показывают, что как при наземном, так и при корневом поступлении опада, включение углерода в состав гумусовых веществ на безгу-мусной породе происходит в 3-4 раза интенсивнее, чем в условиях гумусированной почвы. По данным Л.Н.Александровой (1989), это связано с наличием значительной свободной минеральной поверхности в исходных почвах и интенсивным процессом сорбции на ней промежуточных продуктов гумификации растительных остатков. Чем меньше почва гумусирована, тем активней в ней протекает поцесс гумификации растительных остатков, тем меньше степень минерализации органического вещества (Трофимов и др., 1986; Пестряков и др., 1988).

В результате эрозионных процессов в почвах нарушается равновесие между запасами гумуса и условиями почвообразования. Поэтому превращение поступающих в почву органических веществ в эродированных почвах будет идти по пути накопления гумуса в отличие от зональных неэродированных почв, где превращение растительных

остатков в почве идет преимущественно по пути