Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему

Изменение противоэрозионных свойств и почвенно-экологическая оценка серых лесостепных почв предгорий Северо-Западного Кавказа при освоении

ВАК РФ 06.01.03, Агропочвоведение и агрофизика

Текст научной работыДиссертация по сельскому хозяйству, кандидата сельскохозяйственных наук, Карпушин, Александр Николаевич, Краснодар

КУБАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи КАРПУШИН Александр Николаевич ■—

ИЗМЕНЕНИЕ ПРОТИВОЭРОЗИОННЫХ СВОЙСТВ И ПОЧВЕННО-ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА СЕРЫХ ЛЕСОСТЕПНЫХ ПОЧВ ПРЕДГОРИЙ СЕВЕРО-ЗАПАДНОГО

КАВКАЗА ПРИ ОСВОЕНИИ

Специальность 06.01.03. - Агропочвоведение

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата сельскохозяйственных наук

Научные руководители: доктор сельскохозяйственных наук, профессор, заслуженный деятель науки Кубани Штомпель Ю.А.; кандидат сельскохозяйственных наук, старший научный сотрудник Алёхин С.Н.

Краснодар - 1999

ОГЛАВЛЕНИЕ

стр.

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

ГЛАВА 1. ПОЧВЕННО-ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ ОБУСЛАВЛИВАЮЩИЕ ВОДНУЮ ЭРОЗИЮ ПОЧВ (ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ)..... 7

ГЛАВА 2. МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ................................................... 16

ГЛАВА 3. УСЛОВИЯ ФОРМИРОВАНИЯ И ПОЧВЕННО-

ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА СЕРЫХ ЛЕСОСТЕПНЫХПОЧВ........... 23

3.1. География серых лесостепных почв................................................... 23

3.2. Рельеф и его связь с гумусированностью и

механическим составом серых лесостепных почв.............................. 24

3.3. Влияние климата, гидрологии и эрозионных процессов на плодородие серых лесостепных почв

и их почвенно-экологическая оценка................................................. 27

3.4. Свойства почвообразующих пород темно-серых

лесостепных почв............................................................................... 30

3.5. Влияние растительности и структуры земельных угодий в зоне серых лесостепных почв на развитие процессов

водной эрозии..................................................................................... 32

ГЛАВА 4. ИЗМЕНЕНИЕ ПРОТИВОЭРОЗИОННЫХ СВОЙСТВ И ПАРАМЕТРОВ ПЛОДОРОДИЯ ТЕМНО-СЕРЫХ ЛЕСОСТЕПНЫХ ПОЧВ

ПРИ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОМ ОСВОЕНИИ............................. 36

4.¡.Изменение противоэрозионных свойств и генезис темно-

серых лесостепных почв при освоении........................................ 36

4.2.Продуктивность темно-серых лесостепных почв различной

степени смытости при возделывании основных культур табачного

севооборота........................................................................... 63

ГЛАВА 5. ВАРЬИРОВАНИЕ И ВЗАИМООБУСЛОВЛЕННОСТЬ

МОРФОЛОГИИ И СВОЙСТВ ТЕМНО-СЕРЫХ ЛЕСОСТЕПНЫХ

ПОЧВ ПО ГЕНЕТИЧЕСКИМ ГОРИЗОНТАМ.................................... 66

5.1. Варьирование и связь морфометрии генетических

горизонтов с их вещественным составом.......................................... 66

5.2. Варьирование и связь противоэрозионной стойкости и показателей микроструктуры с гумусированностью и механическим составом темно-серых лесостепных почв................. 69

5.3. Структурное состояние почвы, его оценка и сопряженность с вещественным, микроагрегатным составом и показателями противоэрозионной стойкости темно-серых лесостепных почв................................................................................ 76

ГЛАВА 6. РАЗРАБОТКА НОРМАТИВОВ ПО ПРЕДУПРЕЖДЕНИЮ

СМЫВА СЕРЫХ ЛЕСОСТЕПНЫХ ПОЧВ...................................... 91

6.1. Моделирование ливневой эрозии структуры темно-серых лесостепных почв................................................................................ 91

6.2. Расчет оптимальных размеров длины склона

на пашне............................................................................................... 100

ВЫВОДЫ.......................................................................................................104

РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ИСПОЛЬЗОВАНИЮ РЕЗУЛЬТАТОВ

ИССЛЕДОВАНИЙ...........................................................................................107

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ

ЛИТЕРАТУРЫ................................................................................................108

ПРИЛОЖЕНИЯ.............................................................................................. 125

ВВЕДЕНИЕ

Вопросы защиты почв от эрозии приобретают во всём мире всё большее значение. Это обусловлено тем, что действуя на почву разрушающе, этот процесс снижает возможности сельскохозяйственного производства. Кроме того, смыв почв для многих регионов планеты является одним из факторов, который отрицательно влияет на все компоненты природы /43/.

Ежегодные потери почвы от эрозии в мире составляют 24-25 млрд. тонн, в России - 1,5 млрд. тонн. Причем в Российской Федерации водной эрозии подвержено 18,6 % пахотных земель /106/. Вместе с почвой вымывается до 18-20 млн. тонн питательных веществ /84/. По данным И.А. Крупеникова /94/ механическое удаление даже 10 см слоя почвы означает, что с площади 1 га переместилось более тысячи тонн почвы. А именно со слабосмытых почв 1-2 тыс. тонн., среднесмытых 5-6 тыс. тонн.

Состояние земельных ресурсов Краснодарского края в настоящее время оценивается как критическое. По данным КубаньНИИгипрозем, процессам водной эрозии подвержено 550 тыс. га пашни. С 1975 по 1990 годы площадь сред-неэродированной пашни увеличилась в 6 раз (с 45 до 270 тыс. га). В 1,3 раза возросли за этот же период площади под слабо- и сильноэродированными почвами /37/. За последние 20 лет в крае смыто 575 млн. тонн почвы /109/, с которой потеряно 29 млн. тонн гумуса/67, 176/. По мнению Н.М. Радчевского /134/, если до конца века не принять координальных мер по прекращению эрозии, то только в хозяйствах Южно-предгорной зоны со склоновой пашни будет утрачено ориентировочно 15,5 млн. тонн почвы. Что касается непосредственно изучаемых нами серых лесостепных почв, то только в Мостовском районе подвержено эрозии в различной степени 90 % этих почв, при их площади в этом районе 15,3 тыс. га.; на землях подчинения города Горячий Ключ 23 % при общей площади 15,8 тыс. га. И порядка 30 % серых лесостепных почв всех остальных административных районов.

Кроме того, актуальность выполненной работы определяется также тем, что в Краснодарском крае количество пашни на душу населения сократилось с 0,93 га в 1970 г. до 0,74 га в 1995 г. Ежегодно из общего количества пашни края 3694,6 тыс. га изымается по различным причинам, в том числе и из-за водной эрозии более 30 тыс. га /92/. В Южно-предгорной зоне края положение ещё более сложное, с 1970 г. количество пашни на душу населения сократилось на 0,16 га, и составляет в настоящее время 0,32 га.

В связи с этим целью настоящей работы является изучение динамики противоэрозионных свойств серых лесостепных почв, их почвенно-экологическая оценка и поиск путей предупреждения смыва этих почв.

В связи с этим, были поставлены следующие задачи:

1. Изучить направленность процессов и изменение противоэрозионных свойств темно-серых лесостепных почв при освоении.

2. Определить продуктивность второго гумусового горизонта темно-серых лесостепных почв при возделывании основных культур табачного севооборота.

3. Установить варьирование и сопряженность показателей вещественного состава и морфологии темно-серых лесостепных почв по горизонтам.

4. Провести почвенно-экологическую оценку серых лесостепных почв.

5. Дать предложения по предупреждению смыва серых лесостепных почв.

Работа проводилась на кафедре агропочвоведения Кубанского государственного аграрного университета (КГАУ) и в лаборатории технологии возделывания табака Всероссийского научно-исследовательского института табака, махорки и табачных изделий (ВНИИТТИ).

Автор высказывает глубокую признательность и благодарит Бридько Ю. И

Терпельца В.И., Марченко З.С., Мурзинову И.И. и других сотрудников кафедры почвоведения КГАУ и лаборатории технологии возделывания табака ВНИИТТИ за оказанную консультативно-методическую помощь при выполнении исследований.

На защиту выносятся следующие основные положения:

1. Направленность изменений противоэрозионных свойств темно-серых лесостепных почв при сельскохозяйственном освоении.

2. Почвенно-экологическая оценка серых лесостепных почв предгорий Северо-Западного Кавказа.

3. Характеристика и оценка варьирования и сопряженности свойств темно-серых лесостепных почв по генетическим горизонтам.

4. Влияние различной степени смытости темно-серых лесостепных почв на продуктивность основных культур табачного севооборота.

5. Расчетные нормативные показатели деградационных процессов и предупреждение смыва серых лесостепных почв.

1 .ПОЧВЕННО-ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ, ОБУСЛАВЛИВАЮЩИЕ ВОДНУЮ ЭРОЗИЮ ПОЧВ (ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ)

Слово "эрозия" имеет иностранное происхождение (от лат. через франц. "егос1еге" - разъедать). Под эрозией почвы понимается совокупность взаимосвязанных процессов отрыва, переноса и отложения почвы поверхностным стоком временных водных потоков /99/.

Факторы, воздействующие на смыв почвы, в самом общем виде были сведены Я.В. Корневым /91/ в уравнении: Е = Г(СУ,8,2,Р), где Е - эрозия почвы;

- количество и интенсивность дождевых осадков; J - уклон поверхности, длина и экспозиция склона; 8 - растительность склонов; Ъ - характер землепользования; Р - внутренние свойства почвы сопротивляться размыву.

В значительной степени величина смыва почвы зависит от энергетических параметров дождя: интенсивности, размера капель, скорости их падения /129/. Чем выше значения этих показателей, тем больше падающие капли вызывают разрушение почвы /136, 147/. Водопроницаемость почвы резко снижается, возникают потоки стекающих вод, обладающие сильной размывающей способностью /20, 170/. Г.И. Швебс /169/ объясняет это закупоркой почвенных пор мелкими частицами, освобождающимися при воздействии капель на поверхность почвы, происходящей на глубину до 3 мм. Причём верхняя часть этого слоя толщиной 0,1 мм, имеет особенно плотное строение, что объясняется непосредственным уплотнением каплями. Водопроницаемость этого слоя становится в тысячу раз меньше, чем нижележащего.

Однако в современной литературе не представлены достаточно чётко взаимосвязи между кинетической энергией дождевых осадков различной интенсивности и степенью разрушения ею почвенной структуры. Было бы очень полезно с целью унификации полученных данных определить взаимосвязь между кинетической энергией воды, разрушающей почвенную структуру, и содер-

жанием гумуса, механическим составом, а также другими почвенными показателями.

Известно, что наряду с осадками, рельеф, а именно крутизна, длина и экспозиция склона, является важнейшим фактором, определяющим смыв почвы /59/. Обычно разрушение почвы водой начинается при крутизне склона более 12° /32/. Склон круче 1° принято считать эрозионно опасным /161/.

Установлено, что почвы склонов южной экспозиции, как содержащие меньшее количество гумуса, отличаются меньшей противоэрозионной стойкостью, чем северные /179/. Причем наиболее интенсивное образование оврагов наблюдается на склонах длиной 300-1250 м и крутизной 3-9° /137/, присущим зоне распространения серых лесостепных почв. Это объясняется увеличением глубины базиса эрозии до 40-60 м и как следствие, возрастанием кинетической энергии стекающих вод.

В литературных источниках полностью отсутствуют сведения о распределении серых лесостепных почв различной гумусированности и механического состава по склонам разной крутизны. Что необходимо при рассмотрении перспектив сельскохозяйственного производства на этих почвах, и для прогнозирования их смыва.

В совокупности с рассмотренными факторами водной эрозии большое значение имеет и растительность склонов /149/. Положительное влияние дернины травянистой растительности на противоэрозионную стойкость почв отмечали П.Г. Лучков, Ф.Н. Пильщиков, Р.Х. Кудаев /110/, М.С. Кузнецов /101/. Эффективность растений главным образом зависит от мочковатости их корневых систем /47/, которые способствуют улучшению структуры почв и повышению водоустойчивости агрегатов /45/. Хорошо развитый растительный покров защищает почву и от разрушающего действия дождевых капель /6, 48/, увеличивает водопроницаемость почвы, создает высокую шероховатость, снижающую скорость склонового стока /89/. Г.А. Ларионов /105/ приводит данные о замет-

ном увеличении скорости движения воды, начинающемся при снижении проективного покрытия до 50 %.

Велика роль в нейтрализации стока лесной растительности /40/. Это обусловлено высокой водопоглотительной способностью лесной подстилки /38, 39/ до 87,5 % годовых осадков. В почву луга, поля может проникать до 15 % годовых осадков. Под воздействием лесных культур изменяются водные свойства и гидротермический режим старопахотных почв /181/. Лесные массивы существенно снижают поверхностный сток за счет трансформации стекающих вод в форму верховодки /158/.

Установлено, что процессы эрозии усиливаются с уменьшением растительных остатков на поверхности склоновых почв, по мере перехода к монокультуре и при росте числа механических обработок /33, 127/. В.Б. Гуссак /58/ пришел к выводу, что целинные почвы, независимо от их типа, имеют низкую эродируемость, а дифференциация почв по их сопротивляемости эрозии начинается с их распашкой. По данным С.Ю. Булыгина и Ф.Н. Лисецкого /23/, уже через 100-150 лет обработки почвы, средневзвешенный диаметр водоустойчивых агрегатов уменьшается в 2-3 раза и в дальнейшем (1000 лет) стабилизируется на уровне 0,50-0,75 мм.

Учитывая влияние растительности и вида использования, В.Г. Вильяме /41/ считал, что основным способом борьбы с эрозией почв является травопольная система земледелия. Подтверждая мысль о существенности характера землепользования для смыва почвы, Л.И. Чередниченко /165/ пишет, что в низкогорной зоне широко развита овражная эрозия, возникновению которой способствует вырубка леса. Причем на полях занятых пропашными культурами большую опасность представляет ливневая эрозия как начальная и очень важная фаза водной эрозии почв /166, 175/.

При изучении литературных источников нами выявлено, что для серых лесостепных почв предгорий Северо-Западного Кавказа отсутствуют данные по структуре землепользования. Не установлена доля леса, залежи и пашни на этих

почвах. Следовательно нет возможности судить о перспективах сельскохозяйственного производства на этих землях, о причинах интенсивной водной эрозии и о степени сбалансированности агроландшафтов.

Общеизвестно, что совокупность основных природных и антропогенных факторов водной эрозии, а именно, осадков, рельефа, растительности и характера землепользования проявляется на фоне свойств почвы сопротивляться размыву, то есть противоэрозионной стойкости почв /171/.

Противоэрозионная стойкость почв характеризует способность почвы противостоять смывающему действию водного потока или совместному влиянию потока воды и капель дождя /98/. Количественно она выражается величиной размывающей скорости потока /113/, которая непосредственно определяется двумя показателями почвы; размером водопрочных агрегатов и сцеплением их друг с другом /24, 111, 112/. Остальные свойства почв влияют на противо-эрозионную стойкость косвенно, через эти показатели /102/.

По мнению Д.В. Хана /163/ наличие водопрочной структуры есть результат формирования органоминеральных соединений при обязательном участии трёх компонентов: новообразованного гумуса, высокодисперсных глинистых минералов и обменных оснований. В значительной мере противоэрозионная стойкость почв зависит от свойств коллоидно-дисперсных минералов, составляющих илистую фракцию. Так, почвы, содержащие значительное количество каолинита имеют относительно низкую противоэрозионную стойкость. Это объясняется тем, что каолинит - мало набухающий минерал и обеспечивает слабое сцепление между частицами /64/. Почвы, в которых преобладают гидрофильные минералы - монтмориллонит, вермикулит и др. , - характеризуются сравнительно высоким сцеплением и противоэрозионной стойкостью /85/. Наличие значительных количеств монтмориллонита свойственно для серых лесостепных почв.

Противоэрозионная стойкость зависит и от гранулометрического состава почв /69/. Например, из двух почв одинакового генетического типа большей

противоэрозионной стойкостью обладает более тяжёлая по механическому составу, содержащая больше илистой фракции, способной к структурообразова-нию /42, 49, 172/. Очень неблагоприятно высокое содержание фракции крупной пыли (0,05-0,01 мм), существенно снижающей водопрочность структуры /116,

Количественно зависимость водопрочности от механического состава и тем более её изменение по генетическим горизонтам для темно-серых лесостепных почв Предкавказья в современной литературе не представлена.

Наиболее тесна обратная связь противоэрозионной стойкости почв с фактором дисперсности по Н.А. Качинскому. Эта зависимость учитывается в формуле показателя противоэрозионной стойкости (1), предложенной А.Д. Ворониным и М.С. Кузнецовым /44/:

где К пр.ст. - показатель противоэрозионной стойкости, %; К грхт. - гранулометрический показатель структурности по А.Ф. Вадюниной, %; Кк - фактор дисперсности по Н.А. Качинскому, %.

Варьирование и сопряженность Кк и Кпр ст. с другими почвенными показателями по горизонтам лесостепных почв в настоящее время не известны и требуют специальных исследований.

Установлено, что всё многообразие факторов структурообразования проявляются исключительно на фоне органического вещества, его благотворного влияния на все почвенные процессы /39, 76, 86/. В почвоведении сложилось положение об органическом веществе, как об основной субстанции "склеивающей" гранулометрические элементы в мик�