Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему

Гумусное состояние серых лесных почв и черноземов типичных Южного Предуралья и его изменение при сельскохозяйственном использовании

ВАК РФ 06.01.03, Агропочвоведение и агрофизика

Текст научной работыДиссертация по сельскому хозяйству, кандидата сельскохозяйственных наук, Гарипов, Тимур Талмасович, Уфа

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК УФИМСКИЙ НАУЧНЫЙ ЦЕНТР ИНСТИТУТ БИОЛОГИИ

На правах рукописи

ГАРИПОВ ТИМУР ТАЛМАСОВИЧ

ГУМУСНОЕ СОСТОЯНИЕ СЕРЫХ ЛЕСНЫХ ПОЧВ И ЧЕРНОЗЕМОВ ТИПИЧНЫХ ЮЖНОГО ПРЕДУРАЛЬЯ И ЕГО ИЗМЕНЕНИЕ ПРИ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОМ ИСПОЛЬЗОВАНИИ

06.01.03 - агропочвоведение

Диссертация на соискание ученой степени кандидата сельскохозяйственных наук

Научные руководитель -доктор биологических наук Ф. Я. Багаутдинов Научный консультант -член-корр. АН РБ, доктор биологических наук, профессор Ф. X. Хазиев

Уфа 1999

- г -

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ ............................................. 4

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ ............................ 8

1.1. Гумусное состояние почв ............................... 8

1.2. Изменение гумусного состояния почв при агротехнических воздействиях .............................................. 12

1.2.1. Минеральные удобрения .............................. 13

1.2.2. Органические удобрения ............................. 14

1.2.3. Севообороты........................................ 15

1.2.4. Механическая обработка почвы........................ 16

1.3. Состав органического вещества почв '.,,.,................ 18

1.3.1. Основные компоненты гумуса почв .................... 18

1.3.2. Гипотезы образования гумусовых кислот .............. 22

1.4. Аминокислотный состав гумуса почв .................... 25

ГЛАВА 2. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ ............... 29

2.1. Объекты исследований ................................. 29

2.2. Методы исследований .................................. 32

2.3. Природные условия почвообразования на Южном Предуралье 34 ГЛАВА 3. ГУМУСНОЕ СОСТОЯНИЕ ОСНОВНЫХ ТИПОВ ПОЧВ ЮЖНОГО

ПРЕДУРАЛЬЯ ................................................ 39

3.1. Гумусное состояние целинных и пахотных серых лесных почв ........................................................... 40

3.2. Гумусное состояние целинных и пахотных черноземов типичных ...................................................... 46

3.3. Элементный и структурно-химический состав гумусовых кислот почв .................................................. 50

3.3.1. Элементный и структурно-химический состав гумусовых кислот серой лесной почвы ................................. 52

3.3.2. Элементный и структурно-химический состав гумусовых кислот чернозема типичного карбонатного ................... 55

3.3.3. Элементный состав новообразованных гумусовых кислот 58 3.4. Аминокислотный состав гумусовых кислот почв .......... 60

3.4.1. Аминокислотный состав гумусовых кислот серой лесной почвы..................................................... 61

3.4.2. Аминокислотный состав гумусовых кислот чернозема типичного карбонатного ......................................... 66

3.4.3. Аминокислотный состав новообразованных гуминовых кислот ........................................................... 72

ГЛАВА 4. РЕГУЛИРОВАНИЕ ГУМУСНОГО СОСТОЯНИЯ ПАХОТНЫХ СЕРЫХ ЛЕСНЫХ ПОЧВ И ЧЕРНОЗЕМОВ ТИПИЧНЫХ ......................... 75

4.1. Влияние культуры земледелия на гумусное состояние почв 76

4.2. Роль обработки почвы в регулировании ее гумусного состоя ния ....................................................... 81

4.3. Применение навоза, сидератов, соломы и минеральных удоб рений в системе регулирования гумусного состояния почв .... 91

ВЫВОДЫ.................................................. 114

РЕКОМЕНДАЦИИ ПРОИЗВОДСТВУ ................................ 117

ЛИТЕРАТУРА............................................... 118

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы. Проблема органического вещества почв - одна из важнейших в почвоведении. Органическое вещество оказывает определяющее влияние практически на все свойства почв: физические, химические, биологические, а также на уровень их плодородия. Процессами трансформации и миграции органического вещества и связанных с ним биофильных элементов в значительной степени определяется роль почвы в функционировании экосистем и биосферы в целом.

Негативное изменение гумусного состояния пахотных почв по сравнению с их целинными аналогами стало в настоящее время проблемой глобального уровня. При регулировании гумусного состояния пахотных почв особое значение имеет изучение процессов гумификации поступающего в почву органического вещества и природы гумусовых кислот почв, основного продукта этого процесса.

В этих условиях комплексная оценка органического вещества почв, исследование изменений структурно-химического состава гумусовых веществ остаются важными для эффективного использования почв при интенсивном сельскохозяйственном производстве.

Цель работы - исследование современного гумусного состояния пахотных серых лесных почв и черноземов типичных Южного Предуралья и изменений, произошедших в них по сравнению с целинными аналогами за годы сельскохозяйственного использования; сравнение состава и свойств гумусовых кислот этих почв, а также новообразованных в модельных условиях гумусовых кислот; обоснование приемов регулирования гумусного состояния почв.

Задачи: 1) провести комплексный анализ органического вещества пахотных и целинных почв;

2) выделить из них в препаративной форме различные группы гумусовых веществ и проанализировать их элементный, структурно-химический и аминокислотный состав;

3) выделить в препаративной форме гумусовые кислоты, образованные в модельных условиях из различных растительных остатков и проанализировать их элементный и аминокислотный состав;

4) в условиях стационарных полевых опытов определить влияние обработки почвы, применения различных доз и форм удобрений на современное гумусное состояние пахотных почв и урожайность сельскохозяйственных культур.

Научная новизна

Определен характер воздействия сельскохозяйственного использования серой лесной почвы и чернозема типичного Южного Предуралья на их гумусное состояние. Впервые на Южном Урале на основе системы количественных и качественных показателей структуры и свойств изучены фульвокислоты 1а, собственно фуль-вокислоты, бурые и черные гуминовые кислоты в зависимости от характера использования почвы.

Показано участие индивидуальных аминокислот и их групп в трансформации органического вещества и формировании гумусовых кислот в серой лесной почве и черноземе типичном.

Изучено влияние различных форм, доз и биохимического состава источников органического вещества на процессы его трансформации в изученных почвах при разных способах механической обработки почв.

Защищаемые положения

1. Изменения показателей гумуоного состояния серых лесных почв и черноземов типичных Южного Предуралья в зависимости от сельскохозяйственного использования этих почв и их генетических особенностей.

2. Влияние сельскохозяйственного использования почв на различия элементного, структурно-химического и аминокислотного состава гумусовых кислот пахотных почв по сравнению с их целинными аналогами.

3. Регулирование количественных и качественных характеристик гумуса при различных системах обработки почвы и применения органических и минеральных удобрений.

Практическая значимость. Материалы работы вошли в следующие практические рекомендации: "Комплексная программа повышения плодородия почв Башкирской АССР на 1990-1995 годы"(1990), "Минимальная обработка почвы и воспроизводство плодородия типичных черноземов" (1993), а также во 2-й том монографии "Почвы Башкортостана. Воспроизводство плодородия: зонально-экологические аспекты" (1997).

Апробация работы. Материалы диссертации доложены и обсуждались на конференции "Изучение, охрана и рациональное использование природных ресурсов" (Уфа, 1987), Всесоюзном рабочем совещании "Баланс и трансформация органического вещества пахотных почв" (Москва, 1987), VIII делегатском съезде Общества почвоведов (Новосибирск, 1989), конференции "Эффективные приемы воспроизводства плодородия почв, совершенствование техноло-

гий возделывания, создание и внедрение новых сортов сельскохозяйственных культур" (Уфа, 1994).

Публикации. По теме диссертации опубликовано И работ, в том числе 5 статей в центральной печати и одна на английском языке.

Структура и обьем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, выводов, рекомендаций производству (всего 136 страниц, 31 таблица, 5 рисунков), списка литературы (166 источников, в том числе 13 иностранных).

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ 1.1. Гумусное состояние почв

Гумусное состояние почв - это устойчивый давно вошедший в употребление термин, идея которого принадлежит Д.С. Орлову, введенный им совместно с Л.А. Гришиной в 1978 г. (Гришина, Орлов, 1978). Этот термин предназначен для унификации диагностических критериев и систематизации многочисленных определяемых характеристик гумуса, а также для наиболее комплексной оценки органического вещества почв.

В настоящее время это понятие широко используется почвоведами России и СНГ. Показатели, оценивающие гумусное состояние почвы, сведены в определенную систему, а их величины разбиты на градации. В систему входят следующие показатели:

- мощность подстилки;

- выраженность подгоризонтов подстилки;

- соотношение запасов органическогоо вещества подстилки и минерального профиля почвы;

- содержание гумуса в верхнем горизонте минерального профиля почвы;

- запас гумуса в 20 см и 1 м слое;

- профильное распределение гумуса в метровом минеральном слое почвы;

- обогащенность гумуса азотом;

- степень гумификации органического вещества;

- тип гумуса;

- содержание "свободных" гуминовых кислот;

- содержание гуминовых кислот, связанных с кальцием;

- содержание прочно связанных гуминовых кислот;

- содержание негидролизуемого остатка;

- оптическая плотность гуминовой кислоты;

- биологическая активность ("дыхание") почвы;

- присутствие пигмента Ре в гумусовых кислотах;

- присутствие хлорофилла в спирто-бензольной вытяжке.

В зависимости от направлений исследований и особенностей конкретных почв целесообразно вводить или исключать те или иные показатели. Например, при изучении наиболее динамических фракций органического вещества почв следует определять и водорастворимый гумус, углеводы, фенолы и т. д.

Так, при исследовании моделей плодородия для оценки органической части почвы рекомендуются следующие показатели (Дьяконова, Когут, 1991):

- содержание и запасы гумуса;

- соотношение углерода гуминовых и фульвокислот;

- содержание лабильных гумусовых веществ;

- содержание и состав гумусовых веществ нейтральной пиро-фосфатной вытяжки;

- содержание водорастворимого гумуса;

- содержание минеральных форм азота, высвобождаемых при компостировании почв по методу Кравкова.

В настоящее время предлагаются и другие методы оценки гумуса почв, например "интегральный показатель" (Орлова и др., 1996) для мониторинга органического вещества почв, заменяющий ряд параметров гумусного состояния почв (содержание, степень гумификации, содержание и соотношение основных фракций гумино-

вых кислот).

Помимо химических анализов, исследование гумусного состояния почв может дополняться изучением морфологии почвенного профиля, а наиболее комплексное исследование - выделением в препаративной форме и изучением гумусовых кислот (Гришина, 1986).

Исследования гумусного состояния почв весьма многочисленны, и их можно разделить на несколько больших групп по территориальному принципу.

1. В первую группу входят работы, охватывающие территории, включающие в себя сразу несколько почвенных зон и изучающие географические закономерности изменения гумусного состояния почв.

Гумусное состояние почв России и сопредельных государств довольно хорошо изучено. В литературе приводится много материалов о географических закономерностях распределения органического вещества в почвах России. Сюда относятся в основном исследования, основанные на обработке большого количества литературных данных. Как правило, в таких работах (Черепанов, 1990; Макунина, 1991; Морозов, 1993; Орлов, Бирюкова, 1995; Орлов и др., 1997) рассматриваются отдельные показатели гумусного состояния почв (чаще всего это содержание и запасы гумуса), так как именно этих сведений за годы исследований накопилось больше всего. Составление картограмм по отдельным показателям гумусного состояния почв на территории РФ (а в свое время и СССР) тоже можно рассматривать как работы в этом направлении (Глазовская, 1981; Бирюкова, Орлов, 1993; Бирюкова, Завгород-няя, 1995).

Реже встречаются публикации, в которых изучается групповой состав органического вещества почв (Орлов, Бирюкова, 1984; Crespo, Rosxell, 1990). Отдельно следует выделить и работы, основанные на современных дистанционных методах исследования гумуса (Кондратьев, Федченко, 1982; Виноградов, 1988, Пуртова, 1996), позволяющих охватывать большие территории и получать большое количество данных.

2. Ко второй группе следует отнести работы, в которых изучено и описано гумусное состояние почв в пределах одной почвенной зоны (иногда округа). В основном, это многолетние комплексные исследования почв отдельных административных единиц (областей, краев и республик) Российской Федерации (Хазиев и др., 1985, 1991; Куприченков и др., 1992, Приходько, 1992, 1994; Миронычева-Токарева, Титлянова, 1994; Безуглова и др., 1995; Заварзина и др., 1995; Завгородняя, 1996).

3. В третью группу можно включить работы, в которых представлены результаты отдельных полевых опытов. В них изучается влияние различных агротехнических приемов на гумусное состояние почв (Горбылева и др., 1990; Багаутдинов и др., 19926; Дахийя и др., 1992; Плешко и др., 1992; Русанов, 1993; Мукатанов и др., 1994; Пуртова, 1994; Фролова и др., 1994; Ах-тырцев, Яблонских, 1995; Безуглова и др., 1995; Русанов, 1995; Такунов и др., 1995; Хабиров и др., 1995; Шевцова и др., 1995; Аюпов, Аллаяров, 1996; Давлетшин и др., 1996; Масютенко, 1996; Шевцова и др., 1996).

1.2. Изменение гумусного состояния почв при агротехнических воздействиях

Сельскохозяйственное использование почв (особенно под пашню) коренным образом меняет все почвенные процессы, в том числе и гумусообразование. При этом может происходить как улучшение, так и ухудшение гумусного состояния почв. При высокой культуре земледелия, современной агротехнике, систематическом внесении органо-минеральных удобрений может происходить окультуривание почв, особенно характерное для малогумусных и не очень плодородных почв. (Дьяконова и др., 1984, Титова, Ко-гут, 1991).

Для основной части пахотного фонда гораздо более актуальной является проблема деградации почв при их сельскохозяйственном использовании. Практически повсеместное ухудшение гумусного состояния почв стало причиной появления многих публикаций, посвященных его оптимизации (Барановская, 1992; Жуков, 1991, Масютенко, 1996), где предлагаются пути снижения отрицательного эффекта антропогенного воздействия на почвы, стабилизации, а в идеале и улучшения гумусного состояния почв.

Хотя исследованиям региональных особенностей гумусного состояния почв в последние годы уделяется огромное внимание многими почвоведами, однако, по мнению В.П. Фирсовой с соавторами (1993), недостаточно изученными остаются региональные аспекты гумусного состояния почвы, долгое время находящейся в сельскохозяйственном использовании, особенно оцененные по сравнительно единой системе пахотные почвы и их целинные аналоги.

Огромный пласт исследований представляют собой работы, посвященные изучению влияния антропогенных факторов на гумусное состояние почв. Основными из них являются: применение минеральных и органических удобрений, севообороты и механическая обработка почв.

1.2.1. Минеральные удобрения

Влияние минеральных удобрений на гумусное состояние почв зависит от типа почвы и степени ее окультуренности, особенностей системы земледелия и выращиваемых культур. Минеральные удобрения, не будучи непосредственным источником органического вещества, воздействуют на гумусное состояние почвы опосредованно и неоднозначно. С одной стороны, изменяя условия гумусо-образования, они усиливают минерализационные и миграционные потери гумуса (Гамзиков, Кулагина, 1985; Кудеяров, 1989; Руде-лев, 1989; Войкин, 1991; Савин, Чендев, 1994; Безуглова и др., 1995), но, с другой стороны, увеличение пожнивных и растительных остатков при применении минеральных удобрений способствует повышению содержания гумуса в почве. В реальных производственных условиях применение минеральных удобрений, как правило, вызывает некоторый дефицит баланса гумуса ввиду несбалансированности органических удобрений. (Шевцова, Сизова, 1974; Бага-утдинов и др., 1997; Зезюков, Дедов, 1997).

Для смягчения неблагоприятных последствий внесения минеральных удобрений необходимо прежде всего их правильное, научно обоснованное применение: соблюдение сроков и доз вносимых удобрений, учет особенностей почвы, сельскохозяйственных куль-

тур и климата, а также повышение эффективности применения удобрений за счет их локального внесения (Трапезников, 1974; Крылова, 1989; Вахромеев и др., 1990; Персикова, 1990; Артюшин и др., 1991; Ненайденко и Трифонова, 1991; Вильдфлуш, 1992 и 1996).

Необходимо заметить, что в современных условиях существует тенденция к уменьшению внесения минеральных удобрений, поскольку они вызывают ухудшение экологической ситуации и снижают качество сельскохозяйственной продукции. В странах с высоким уровнем развития сельского хозяйства эта тенденция основанна в значительной степени на обществ