Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Изменение состава и свойств карбонатного чернозема под влиянием распашки и орошения

ВАК РФ 03.00.27, Почвоведение

Автореферат диссертации по теме "Изменение состава и свойств карбонатного чернозема под влиянием распашки и орошения"

МОСКОВСКАЯ ОРДЕНА 1ЕНШ ■ К ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ ИГЛЕНИ К.А.ТИМИРЯЗЕВА

На правах рукописи

ЦХОВРЕЯОВ ВАЛЕРИЙ СЕРГЕЕВИЧ

ИЗМЕНЕНИЕ СОСТАВА И СВОЙСТВ КАРБОНАТНОГО ЧЕРНОЗЕМА ПОД ВЛИЯНИЕМ РАСПАШКИ И ОРОШЕНИЯ

03.00.27 - почвоведение

АВТОРЕФЕРАТ • диссертации на соибкание ученой степени' кандидата биологических наук .

Москва 1993

Работа выполнена на кафедре почвоведения Ставропольского ордена Трудового Красною Знамени сельскохозяйственного института и кафедре почвоведения Московской ордена Ленина и . ордзна Трудового Красного Знамени сельскохозяйственной академии им. К.А.Тимирязева.

Научные руководители: кандидат сельскохозяйственных наук, доцент Тюльпанов Б.Я.

кандидат биологических наук, доцент Покровский Н.П.

Официальные оппоненты: доктор сельскохозяйственных наук,

старший научный сотрудник Зимовец Б.А.

кандидат биологических наук, ' доцент Макеева В.И.

Ведущее учреждение: НПО "Ставмелиорация"

Защита диссертации состоится "/У " ^-¿-^¿¿^ 1993 г. в /У часов на заседании специализированного совета К. 120.35.01 в Московской сельскохозяйственной академии им. К.А.Тимирязева

Адрес: 127550, г. Москва, ул. Тимирязевская, 47. Сектор защиты диссертаций ТСХА

С диссертацией можно ознакомиться в ЦНБ ТСХА Автореферат разослан " / " 1993

Ученый секретарь специализированного совета -кандидат биологических наук

Вильяме М.В.

I. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность теш. В процессе сельскохозяйственного использования (распашки и орошения) черноземов происходит снижение плодородия этих почв вследствие изменения водного режима, развития процессов сдитизации, осолонцевания и засоления. В этой связи изучение особенностей трансформационных изменений состава и функциональных свойств карбонатного чернозема с цзльв выяснения причин деградации почвенного плодородия при неосознанном сельскохозяйственной воздействии актуально как для теории, тан и для практики почвоведения.

Цель и задачи исследований. Цель исследований - изучить изменение состава и функциональных свойств карбонатного чернозема в условиях целины, орошаемой и неорошаемой пашни с целы) выяснения причин развития негативных процессов и снижения плодоро -дия. В задачу исследований входило:

- выбор типичных ключевых участков на целине, неорошаемой и орошаемой пашне при непромывном, промывном и капиллярно-подпертом водном режимах;

- установить изменение морфологических признаков почв по генетическим горизонтам;

- изучить изменение минеральной части почвы по почвенному профилю;

- определить количество и качество гумуса в сезонной динамике;

- выявить изменение физических и физико-химических свойств;

- определить влияние распашки и орошения на численность различных физиологических групп микроорганизмов, преобразующих нине-.ральные и органические соединения азота, целлвлозоразрушаящих микроорганизмов, нитрогена,зную активность;

- изучать суточную и сезонную динамику 0В11, рН, активность ионов Са2+, Н+, /УО3, в почвенном растворе (¿/г. $>'1и) и в зоне ризосферы;

- определить продуктивность целины и пашни по ключевым участкам.

Научная новизна работы. Работа содержит новые данные о преобразовании первичных кдастоГенных минералов под воздействием сельскохозяйственной техники и биохимического выветривания.Впервые исследована микрофлора карбонатного чернозема Ставрополья и

изменение ее содержания £ течение сезона. С помочью ионоселек-тивных электродов исследована суточная и сезонная динамика ОВП, рН и активность Са'-+, К+, Уо"^ и И^Н^. Впервые на карбонатной черноземе проведен комплекс исследований на целине, неорошаемой и орошаемой пашне при различных условиях водного режима.

Практическая ценность работы. Результаты исследований могут быть использованы для теоретического обоснования рекомендаций, способствующих сохранению плодородия карбонатных черноземов.

Апробация работы. Основные материалы диссертации докладывались на конференциях Ставропольского сельхозинститута (1991).Южного научно-исследовательского института гидротехники и мелиорации (1990), научно-исследовательского института аграрных проблем Хакассии (1992).

Дубликацик. По материалам диссертации опубликовано 5 работ и £ находятся в печати.

Объем работы. Диссертация изложена на с// страницах машинописного текста, включает введение, 7 разделов, выводы.список использованной литературы, приложения. Материалы представлены в 39 таблицах и 27 рисунках. Список литературы включает«?^ наименований, в том числе /£• зарубежных авторов.

2. ОБЪЕКТ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Исследования проводились в совхозе "Московский" Изобильнен-ского района Ставропольского края на черноземе обыкновенном карбонатном тяжелосуглинистом малогумуснои мощном на следующих ключевых участках: I - целина; 2 - неорошаемая пашня; 3 - ороиае -мая пашня (5 лет); 4 - орошаемая пашня (17 лег).

Целинный -травостой представлен разнотравно-злаковой ассоциацией. Участки пашш засевались в годы исследований кукурузой сорта Донская Высокорослая. Весь крмплекс полевых и лабораторных исследований на пашне проводился в сезонной динамике по следующим срокам: 3-4 листа кукурузы, цветение, ыолочно-восковая спелость и после уборки. На целине исследования проводились одномоментно в те же сроки, что и на пашне. В годы исследований вместе с посевом вносили удобрения в дозе ^бО^ЗО^О* этого на протяжении ряда лет вносили ежегодно удобрения в среднем в дозах И^^дКд. Полив кукурузы проводили 3-4 раза в год исходя из состояния влажности 50 см слоя почвы нормой 600-800 ы3/га дождевальной установкой ДДА-100 М. Применялся влагозарядковый голив нормой 1600-1800 м3/га.

Исследования проводились по следующим методикам: минералогический анализ илистых фракций менее 0,002 мы изучали С помощь» рентгендифрактометрической системы ДРОН-0,5. Запись образцов была сделана в исходной (отмученной), насыщенной зтиленгликолем и прокаленном (при / 555°С в течение 2 часов) состояниях; количественный состав глинистых минералов проведали по методу Н.И.Горбунова; морфологический анализ кластогенных минералов по Рябчен-кову; состав водорастворимых солей методом стандартной •внтякки по Гедройцу; состав обменных оснований по Пфефферу в модификации Иолодцова и Игнатовой; анализ солянокислой вытяаки по Завкинзо-ну; влааностъ почвы весовым методом; сбвдй гумус по И.В.Тюрину в модификации Симакова; групповой состав гумуса по методу М.М.Кононовой и Н.П.Бельчиковой; микроагрегатный анализ по И.А.Качиноко-му; гранулометрический анализ по Я.А.Качинскому в модификации С.И.Долгова и А.И.Личмановой; агрегатный анализ по Н.И.Савинову; плотность почвы методом режущих колец по И.А.Качинскоиу; плотность твердой фазы пикнонетрическим методом; определение суточной и сезонной динамики ОВП, рН, Са2+, К*, л'в почве {¿н методом ионо-селективных электродов; численность мик-

роорганизмов на различных питательных средах методой прямого учета колоний; нитрогеназную активность ацетиленовым методом на газовом хроматографе; урогайность кукурузы методом прямого номбай-нкрования; статистическую обработку данных по. натодике Е.А.Дмитриева , В.А.Доспехова и Ойвина.

РЕЗУЛЬТАта ИССЛЕДОВАНИЙ

3. йорфология, минералогический, цинический состав и физико. • -химические свойства черноземов

3.1. Морфология

Морфологические исследования почвенных образцов карбонатного чернозема по ключевым участкам показали, что хотя вскипание от 10$ НС1 происходит с поверхности по всем четырем разрезам, на орошге-шх участках оно менее бурное.* Для первых двух разрезов характерно наличие в верхнем горизонте больного количества гонких и средних пор, тогда как на орошении средние поры отсутствуют, а тонкие просматриваются редко, особенно на орошаемой пашне при капиллярно-подпертом водном режиме (17 лет). Структура верхнего целинного горизонта зернистая, переходит в зервисго-комноватуа па неорошаемой пашне, в глыбасто-крупнокомковатую (5 лет) и в глыбистую "с признаками столбчатости (17 лег) на орошении. На 4-ои участие от-

сутствуют биогенные агрегаты. На орошаемых, почвах белоглазка расположена несколько глубже и ее горизонт более вытянут. На участке 17-летнего орошения с глубины 82 см просматривается капиллярная кайма и нижняя часть профиля затоплена.

3.2. Минералогия

Изучение кластогенных минералов фракции >0,01 мы горизонтов Адах и Aj доказало, что в оеиовнсм ее состав сложен следующими минеральными группами: среди тякелых минералов - шроксены, амфиболы, биотит - с низкой химической устойчивостью; группа эпилога, апатит - со средней.химической устойчивостью; андалузит, силлиманит, дистеа, ставролит, анатаь, шпинель, рутил, группа циркона, ильменит - с высокой химической устойчивостью и среди легких минералов - полевые впаты, кварц, карбонаты, глауконит, гипс, обсидиан.

' Кластогенные минералы пашни отличается от подобных на целине высокой степенью окатанностм и раздробленности, что связано с механическим их выветриванием. Наиболее сильному биохимическому выветриванию подвержены ромбические пироксены, мусковит, апатит, карбонаты, полевые шпаты, что прослеживается по появлению каверн, трещин, изменению цвета, вкраплений на поверхности и в трещинах продуктов выветривания. По сравнению с целиной в пашне полностью исчез апатит, а на орошении и ромбические пироксены (гиперстен, энстатит). Однако коэффициент выветрелости изменился слабо и находился в предела:: 1,4-1,7.

кз этого следует, что соотношение устойчивых к разрушению минералов к неустойчивые не претерпевает существенных изменений и преобразование первичных минералов прослеживается лишь по изменению морфологических признаков.

Среди глинистых минералов наибольшей трансформации подвержены минералы группы монтмориллонита к гидрослюд (рис.1). В целинном черноземе в горизонте Ад монтмориллонит отсутствует, появляется в горизонте А^ {37«) и с глубиной его содержание в почвенном профиле постепенно увеличивается, достигая максимума на глубине 150-200 см (26$). В верхнем полуметре неорошаемой пашни и пашни 5-летнего орошения содержание монтмориллонита возрастает дс 1422$, а 17-летнего - до IS—31%, что свидетельствует о накоплении сильнонабухающих минералов группы 2:1 при сельскохозяйственном воздействии. Кроме того превалирование анаэробных условий в профиле орошаемой пашни (17 лег) сопровождается новообразованием

О 20 40 60 80 100% см Г-'-'—^—см

0 20 40 60 80 100%

(I)

(2)

0 20 40 60 80 100$

О 20 40 60 80 100%

(3) (4)

У/Л - монтмориллонит ' КХХ - каолинит+хлорит Р^ - гидрослвды Рис. 1 Профильная диаграмма минералогического состава целины (I) неорошаемой (2Ь орошаемой 5 лет (3) и орошаемой Г7 лет (4) пашни

карбонатных железо-марганцевых конкреций, блокирующих активность кальция в почвенных процессах. Выключение кальция как сильного коагулятора не способствует структурообразованию на тяжелосуглинистых почвах и не препятствует развитию процессов слитизации.

3.3. Физико-химические свойства

Анализ качественного состава водорастворимых солей и состава обменных оснований свидетельствует, что карбонатные черноземы не подвержены процессу вторичного засоления и осолонцевакия, что связано со слабой засоленностью материнский лессовидных суглинков (0,1-0,3$) и высоким качеством оросительной воды (SftR- 0,6-0,8).

По составу обменных оснований профиль целинного и неорошаемого черноземов представлен двумя зонами: элювиальной и иллювиальной. Первая охватывает верхнюю метровую толщу. Она характеризуется низким содержанием натрия (1,4-1,8$), магния и еысоким содержанием кальция (до 82-95$). Иллювиальная зона отличается высоким содержанием натрия (до 26-27$), магния и низким содержанием кальция (до 18$). Катионы водорастворимых солей по составу в элювиальной зоне образуют ряд Са --► M<j а и в иллювиальной /"/а —*■ 1Лд —■►Са на целине и./Vá —-Da —па неорошаемой пашне.

В профиле чернозема 5-летнего срока орошения изменения в составе обменных оснований аналогичны неорошаемой пашне, но не имеет зоны аккумуляции //а, который равномерно распределен по профилю (в пределах 2,0-3,4$).

На пашне 17-летнего орошения наблюдается некоторое уменьшение содержания обменного натрия и увеличение кальция в ППК, что может быть связано с вымыванием натрия в нижележащие горизонты при ранее существовавшем промывном типе водного режима, а увеличение кальция по причине длительного орошения поливными водами, обогащенными бикарбонатом кальция. Содержание калия по участкам исследований согласуется с распределением гидрослюды.

3.4. Содержание гумуса

Самым высоким содержание общего гумуса было на целине (4,154,58$). Отмечено уменьшение его содержания на 0,5-0,8$ на неорошаемой пашне, на 0,3-0,6?' (5 лет) и на 0,9-1,3$ (Г7 лзт) участках орошения в основном за счет изменения содержания детритного остатка и ¡фульвокислот. В сезонной динамике содержание общего гумуса на целине увеличивалось от весны к лету и уменьшалось к осени, а на участках паши отмечено некоторое уменьшение количества гумуса от весны к лету и увеличение к осени.

4. Физические свойства 4.1. Гранулометрический и микроагрегатный состав

Существенных изменений в гранулометрическом составь по участкам исследований не выявлено.' В целом почвы всех разрезов можно классифицировать как тяжелосуглинистые песчано-пылевато-иловатые. 3-микроагрегатном составе отмечено увеличение доли мелкой и средней пыли (на 10-15/5) на участках пашни по сравнению с делиной, что говорит о снижении степени агрегации элементарных частиц па пашне; почти в 2 раза увеличился коэффициент дисперсности на неорошаемой и более чем вдвое на орошаемой пашне (табл.1).

Таблица I

Влияние распашки и оронания на структурное состояние и дисперсность черноземов

Ге'нзтический горизонт

"структурности

ТГ

дисперсности

I : 2 : з : ч I 2 : з : 4

3,11 0,52 0,67 0,38 3,1 6,4 7,7 8,6

10,45 3,54 2.« 0,97 2,4 4,3 5,2 7,7

1,64 2,61 1,02 1,05 2,4 4,0 8,1 7,3

1,62 1,63 1,52 1,24 1,3 4,2 7,5 7,6

1,34 1,67 1,93 - 4,8 4,2 6,7 5,3

А (пах)

4

АВ

В

ВС

Примечание: I - целина, 2 - неорошаемая пашня, 3 - орошаемая пашня (5 лет), 4 - орошаемая пашнл (17 лет).

4.2. Структура

Наиболее существенные изменения в агрегатном составе карбонатного чернозема при сельскохозяйственном воздействии происходят в верхнем полуметре почвенного профиля (табл.1). Почва целинного участка имеет высокую степень осгруктуревности (Кс в Ад -3,11 и э - 10,49). На неорошаемой пашне коэффициент структурности снижается в'Ад^ в 20 раз, А^ - в 3 раза, на орошении 5 лет соответственно в 16 и 4 раза и 17 лет - 27 и II раз.

4.3. Общие физические свойства

Перестройка минеральной части на пашне,.воздействии ходовых систем сельхозмашин и накладывающихся яа них действие поливных.' вод приводят к уплотнению почв на 0,20-0,30 г/см3, снижению общей.

Таблица 2

Физические свойства черноземов

Вид угодья ¡Глубина,! Влажность, %\ 1 з ! ¿ч, г/см3 ! робщее % 1 ^аэрации $

! см ! 1989 ! 1990 ! г/см , 1989 ! 1990 ! 1989 ! 1990 ! 1989 ! 1990

ВЕСНА •

I 0-7 22,8 22,3 2,66 • 1,13 • 1,22 55,7 54,2 29,4 27,0

7-20 22,4 22,5 2,70 1,26 1,27 53,7 . 53,0 25,7 24,5.

2 0-20 22,6 • 22,4 2,38 1,16 1,15 56,5 37,1 30,2 31, з'

3 0-20 23,3 23,7 2,68 I »17 ■ 1,19 .56,1 55,6 28,7 24,8

4 0-20 24,8 24,6 2,68 ЛЕТО 1,19 1,21 55,4 54,5 25,8 24,6

-I 0-7 19,3 . 8,8 2,66 1,27 1,29 52,3 51,5 27,8 40,2

7-20 21,7 13,5 2,70 1,31 1,35 51,5 50,0 23,1 31,8

2 0-20 20,2 ИД 2,58 1,29 1,35 51,7 49,5 25,5 33,7

3 0-г20 23,0 18,1 2,68 1,36 1,39 49,5 47,8 16,5 21,1

4 0-20 24,7 22,0 2,68 1,44 1,50 46,1 43,8 9,9 II ,0

ОСЕНЬ

I 0-7 19,6 18,4 2,66 1,23 1,25 53,8 53,1 29,7 30,1

'7-20 21,0 19,7 2,70 1,30 1,33 • 51,9 50,8 24,6 24,6

2 0-20 21,3 19,2 2,68 1,40 1,42 48,2 47,0 18,2 19,8

3 0-20 21,9 23,9 2,68 1,43 1,44 46,8 46,5 15,6 12,3

4 0-20 24,1 24,3 2,68 1,49 1,52 44,5 43,3 8,5 6,4

Примечание: I - целина, 2 - неорошаемая пашня, 3 - орошаемая пашня (5 лет), 4 - орошаемая пашня (Г7 лет).

пористости на 10-205® и пористости аэрации на 15-25% В сезонной динашке изменения показателей физических свойств на целине менее заметны. На патане от весны к осени происходисильное уплотнение почв и потеря пористости. Снижение пористости аэрации до значений менее 10$ на орошении (17 лет) связано с увеличением влажности почвы (табл.2).

4.4. Режим влажности

■При исследовании режима влажности установлено, что влажность целинного и неорошаемого черноземов изменялась в тзчение сезона в верхних горизонтах в пределах от 8 до 22$ за счет выпадающих осадков и была относительно стабильной на глубине I м (14-16%). Тип водного режима на этих участках - непрошзной. На орошении поливной водой увлажняемся весь слой почвы (до 23-25%) и непромывной тип водного режима сменяется промывным (5 лет) и капиллярно-подпертым (17 лет) при подъеме грунтовых зод.

5. Микробиологическая характеристика

5.1. Численность различных физиологических групп микроорганизмов

Распашка черноземов и особенно орошение в первые годы увеличивают численность различных групп микроорганизмов. Капиллярно-подпертый водный режим приводит к снижению численности микроорганизмов на пашне 17-летнего орошения (табл.3).

Таблица 3

Среднегодовая численность микроорганизмов

Вид угодья

Количество микроорганизмов, млн/1 г

МПА : КАА :Чапека-Дскса: Гетчинсона

1989 :1990:1939:1390:1989 ■: 1990 :1989 : 1990

Целина 50,5 42,1 31,5 36,4 0,04 0,13. 0,17. 0,07

Неорошаемая пашня 90,3 82,0 102,6 84,50,11 0,13 0,52 0,68 Орошаемая пашня

(5 лет) 118,7 124,7 154,0 132,8 0,14 0,50 0,81 0,93

Орошаемая пашня

(17 лет) 15,1 14,5 31,3 23,8 0,11 0,14 0,07 0,34

Примечание: МПА - среда, где производили подсчет численности ам-монификаторов, КАА - учет микроорганизмов, преобразующих минеральные формы азота, Чап.ека-Докса - микроскопических грибов,Гетчинсона - целлюлозоразрушающих микроорганизмов.

мднДг 200

150 100

50

1983г

2

3

4

1990г

\

/

\

/

/

/

Л

А \\ \\ Ч

м о

2

4 сроки

Рис. 2 Сезонная динамика .численности ашонификаторов

Усл. обозначения: I - фаза 3-4 листа; 2 - цветение; 3 - мол.-воск, спелость; 4 - после уборки

- целина —.— орошаемый уч. (элет)

— — неорошаемый уч. . . . . орошаемий уч. (17лёт) '

млнДг 300

1Э30г

12. 3 4.1 2 3 4 СР°КИ

Рио.З Сезонная динамика численности микроорганизмов, использующих минеральные формы. азота Усл. обозначения: I - фаза'3-4 листа; 2- цветение; 3,- мол.-воск, спелость; 4 - после уборки

- целина —•— орошаемый уч."(5лет)

— — неорошаемый уч. .... орошаемый уч. (17лет)

Изучение состава и сезонной динамики численности микроорганизмов свидетельствует,о тесной взаимосвязи их с фазой развития кукурузы и состоянием влажности почвы. В дкн&мике численности аммонификаторов целинный участок отличается стабильными показа- ■ талями в течение всего сезона (в пределах 40-60 млн/1 г,рис.2). На неорошаемой пашне при благоприятных условиях увлажнения (1989 е) наибольшее количество аммонификаюров было я фазу цветения кукурузы (15? ылн/1 г). Отмечено значительное сезонное колебание в их численности (разница в НО млн/1 г между фазой цветения и послеуборочным периодом).На пашне 5-летнего орошения изменения в содержании аммонификаюров сходны с неорошаемой, но с тенденцией к увеличению количества микроорганизмов во все сроки исследова -ний» На пашне длительного орошения (17 лет), в результате ухудшения физических свойств и наличия капиллярно-подпертого водного рещма, происходит значительное снижение численности амиокифкка-тсров (до 12-18 ыли/1 г в фазу цветения) и динамичности сезонных показателей.

Сезонная динамика численности микроорганизмов, использующих минеральные формы азота, а также микроскопических грибов анало -гичны ди:;ашке аммонификаюров (рис.3, таблица 4). Для цоллюлозо-

Таблица 4

Сезонная динамика численности микроскопических грибов и

целлюлсзоразрушаащкх микроорганизмов (тыс. в I г почвы)

Вид угодья

1939 г.

1990 г.

3-5Гцвете:молочно¡после :3-4 листа:ние :-воско-:уборки:листа : :вая спе: : : :лость : :

цвете:молочно :пссле ние :-воско- :уборки :вэя : :спелость:

Микроскопические грибы

1 2 3 80 50-2 4 IC2 35

2 20 250 170 10 14 490 15 18

3 22 500 90 8 14 1923 116 31

4 30 140 50 4 9 120 27 9

Целлюлозоразрушающие микроорганизмы

1 43 79 125 2G0 36 46 59 125

2 76 22 200 1800 52 ' II 151 2528 3' 70 14 400 2750 65 15 293 3348 4 НО 5 80 104 93 16 135 94

Примечание: I - целина, 2 - неорошаемая пашня, 3 - орошаемая пашня (5 лет), 4 - орошаемая пашня (17 лет).

мг Н^/кг.час 2,0

1.5

1,0

0,5

1989г

■ч.

2

3

4

19$Ог

I

2

сроки

Рис.-У Сезонная динамика нитрогеназной активности

Усл. обозначения; I - фаза 3-4 листа; 2 - цветение; 3 - мол.-вося. спелость; 4 - после уб«тжи

- целина ■ —•— орошаемый уч. (5лет).

— — неорошаемый уч. .... орошаемый уч. (17лет)

разрушающих микроорганизмов при общем увеличении их численности на богаре и в первые годы орошения характерна наибольшая численность в послеуборочный период и наименьшая в фазу цветения кукурузы, что согласуется с динамикой содераания органического вещества.

5.2. Азотфиксирующая активность

Для целины характерна сезонная стабильность показателей азот-фиксации (рис.4), которая оставалась на довольно высоком уровне . по сравнению с другими участками (0,9-1,2 мг Л^/кг). На-неорошаемой пашне происходит снижение нитрогеназной активности в 1,52,0 раза и увеличение динамичности в сезонных показателях, Пик которых приходился на фазу цветения кукурузы. В сравнении-с богарой на орошении (5 лет) наблюдается увеличение нитрогеназной активности в среднем в ¿-2,5 раза'и уменьшение з 2,5-3,0 раза на длительно орошаемой пашне (17 лет).

6. физико-химические процессы 6.1. Суточная и сезонная динамика ОВП и рН '

Трансформация минеральной части черноземов и их живой фазы, а также ухудшение физических свойств при сельскохозяйственном использовании приводят к изменению физико-химических показателей.

Двухлетние исследования (1989-1990 гг.) выявили сходимость показателей ЕЛ- и рН по годам исследований как в суточной, так и в 'сезонной динамике в пахотном горизонте почвы (рис.5, 6). Изменение величины Е И почвы исследуемых участков в течение светового дня имеют одинаковую закономерность и тесную связь с процессом фотосинтеза: наименьшие значения отмечаются утром (7 часов), достигают максимума в 13-16 часов, после чего наблюдается постепенное их снижение (рис.5). Разница в суточных показателях

составила о.т 20 до 100 мВ. На неорошаемой пашне иик значений ОВП приходился на фазу цветения (до 560 мВ в послеобеденный период) , а наименьшие показатели отмечены в послеуборочный период (до 510 мВ), т.е. в отсутствие растений. На участке 5-летнего орошения изменения ОВП аналогичны неорошаемому участку,но с тенденцией к увеличению Е и различий мевду утренними и послеобе -денными показателями во все сроки исследований. На длительно орошаемой пашне наивысшие значения Ей были в весенний период (до 570 мЬ) в уменьшались в течение сезона до 370 мВ. В послеуборочный период наблюдалось не увеличение, а снижение ЕЬ с утра к по-

¡.Ш

;зи

500

450

400

' 350

Зре;ля суток .

сроки .

7 10 13 16 19 7 10 13 16 19 7 10 13 16 19 7 10 13 16 Т9

цветение - - -::олс)™°;^^овая

спблость

Тнз. 6 ,;Суточаая 'л сезонная динамика 3*1 1990г. .

— •— орошаемая' пашня (5 лет) " «♦••♦ ох/Эзаевпч пазнп (17 лет)

.3-4 листа-

- целина,

:--' ч80',;0шае1.:ан п-зк;ип

поа?:е утопки

рн 8,0

7.5

7,0

Время суток

сроки

...........,

7 10 13 16 19 3-4 ллста

10 13 16 19 7 10 13 16 19 7 10 13 16 19

цветение . м0ЛЖ^к0в8Я после уборки

Рис. 6 .Суточная и сезонная динамика рН, 1990г.

- целина

--неорошаемая пашня

—»— орошаемая паиня (5 лет) ...» орошаемая пчшня (17 лет)

лудив, что связано с переуплотнением почвы к тому времени и уменьшением пористости. Для участков пашни характерна большая напря -жейность ОВП. Колебания ЕЬ (С„ ) в суточном цикле в 1990 г.. составили: в фазу 3-4 листа на неорошаемой пашне - 3,8; для ново -орошаемой - 4,4 и Для староорошаеной пашни - 4,8; в фазу цветения соответственно 6; 8,0; 4,8; в фазу молочно-восковой спелости -6,1; 7,3; 3,1 и после уборки - 1,9; 1,9; 5,3. Аналогичны измене -ния С ив 1989 г. Изучение величины Е Ь на целине в те же сроки показали на аналогичную закономерность в суточном цикле, но с меньшим диапазоном колебания (на 20-30 мВ по сравнению с богарой) ОВП и стабильными величинами Су (3,1-4,8) в течение сезона.

При изучении суточной динамики рН отмечено снижение величины с утра к 13-16 часам К постепенный рост этого показателя к вечеру, что обусловлено интенсивностью хода процесса фотосинтеза и поступления протонов водорода в почву (рис.5). В сезонкой динамике наименьшие показатели рН были в фазу цветения и наибольшие в послеуборочный период. В-целом распадка черноземов и особенно их орошение в первые годы способствует подкисление почвенного раствора, а подъем грунтовых вод - к подщелачиванию. Колебания рН (Су) в суточном цикле на' пашне были з 2-3 раза выше относительно этих показателей на целине (в пределах 1,3-1,7).

При проведении расчета коэффициента корреляции (-£) сопряженных изменений величия ЕЬ и рН в суточном цикле отмечена тесная (в пределах-0,8-0,99) отрицательная связь.

6.2. Динамика Са2+, К+, УН^ и Уо^

Установлена взаимосвязь между суточными показателями рН и активностью ионов Са2+. При увеличении поступления протонов водорода в почву усиливается гидролиз карбонатов. По этой причине активность кальция возрастает с утра к 13-16 часам и постепенно снижается к концу дня (рис.7), В сезонном цикле на целине происходит увеличение активности кальция от весны ^среднесуточные х = 1,0 в 1989 и 1,8 мг-экв/л в 1990- г.) к осени (х = 54,5 в 1989 и 20,1 мг-экв'/л в 1990 г.). Разница между минимальными и'максимальными суточными-показателями составила: веской - 2.3 мг>экв/л, осенью -70 и 40 мг'экв/л. На неорошаемой пашне эти значения минимальны в фазу 3-4 листа (х 1,0 в 1989 и 0,38 мг.зкв/л в 1990 г.) и максимальны в фазу молочно-восковой спелости (х 40,4 в 1989'и 15,1 мг.экв/л в 1990 г.). Динамика активности ионов кал»ция на ново-

мг» экв/л

9.0

7.0 5.0

3,0

1.0

Время суток

Сроки

........

10 13 16 19 7 10 13 16 19 7 10 13 16 19 3-4 листа цветение

молочно-восковая спелость

7 10 13 16 19 после уборки

о.

Рис.¥ Суточная и сезонная динамика Са , 1990г.

целина

--- неорошаемая пашня

• - орошаемая пашня (5 лет) . . орошаемая пашня (17 лет)

--' целика — •— орошаемая пашня (5 лет).

-- неорошаемая паыня * > , • ороааекэя пашня (I? лэ?)

орошаемой пашне аналогична неорошаемой, ко с некоторым снижением его активности. На участке 17-летнего орошения активность Са^+ снижается в средней в 5-10 раз по сравнению с богарой..В значении Су не наблюдалось особых различий между участками.

Данные активности ионов кальция согласуатся с данными структурного состояния черноземов. Большему содержанию Са2+,как струк-турообразователя, способствует лучшая оструктуренность почвы.

На глубине 10-12 см на целине активность К+ возрастает от весны к осени (от 1,0 до 80 мг-экв/л), а на пашне снижается за счет-выноса до очень низких значений (до 0,0001 мг«экв/л), при кото- . рых активизируется процесс выветривания калия из иллитов с новообразованием монтмориллонитов, что согласуется с данными минералогического состава.

Поведение ионов аммония в водной фазе аналогично поведению . калия, но со значительно меньшими значениями активности.

В дневные часы максимального поглощения активность /УЬ^в водной ¿азе более низкая, чем в утренние и вечерние часы. По сравнению с целиной (0,4-45 мг-экв/л) отмечается увеличение активности нитратов на неорошаемой и особенно на новоорошаемой пашне (в средней на 5-10 мг'Экв/л) и снижение на орошаемом участке с капиллярно-подпертым водным режимом (менее 1,0 мг-экв/л). Наибольшая активность нитратов приходится на фазу цветения, что согласуется с динамкой содержания нитрифицирующих микроорганизмов и ОБ-состоя-нием почвы. Колебания активности иона (Cv^) в суточном цикле на участках пашни в 1,5-2,0 раза выше, чем ка целине. Анализ динамики ионов /VOj и /Vh^ выявил, что активность аммония на целине в 10-20 раз и более превосходит участки пашни и его содержание равнялось или было в несколько раз меньше содержания нитратов,тогда как на участках пашни .отношение /У'н^ : //О3 равнялось 1:10 или 1:100 и более, что свидегел>.схвует об изменении режима азот-, ного питания растений при сельскохозяйственном использовании черноземов.

7. Продуктивность целины и пашни

Урожайность кукурузы на неорошаемой пашне в среднем за 2 года составила 520 ц/га. Улучшение водного режима, микробиологической активности и ОВ-состояния увеличивало урожайность кукурузы на 23% в первые годы орошения. Ухудшение состава и свойств чернозема 17-летнего орошения снижало урожайность кукурузы на 140$. На

целинном участке по сумке трех укосоз естественных трав собран урокай в 20,7 ц/га.

■ВЫВОДЫ

1. Исследованиями установлено, что б целинной экосистеме, представляющей собой замкнутую, самоуправляемую биогеоненотичес-кую систему, не происходит значительных сдвигов и колебаний состава, свойств почвы и процессов их обусловливающих в многолетнем сезонном и суточном цикле. На участках пашни выявлена сильная динамичность л напряненность почвенных показателей, изменение которых происходит адекватно степени сельскохозяйственного использования черноземов.

2. Вовлечение карбонатного чернозема под пашню, особенно орошаемую, способствует усилению процессов механического и биохимического выветривания первичных минералов, что прослеживается по появлению каверн, трещин, изменению цвета, вкраплению продуктов выветривания на поверхности и по трещинам, высокой степенью ока-танности и раздробленности, полным исчезновением апатита и ромбических пироксенов (знстатита и гиперстена) на орошении.

3. Среди глинистых минералов наблюдается резкое возрастание содержания монтмориллонита з пахотном и подпахотном горизонтах неорошаемой и новоорошаемой пашни (14-22/5) и по всему профилю чернозема с капиллярно-подпертым (19-42$) водным режимом. Устойчивые анаэробные условия в профиле этой почвы сопровождаются новообразованиями карбонатных железо-марганцевых конкреций, блокирующих активность кальция в почвенных процессах. •

4. Анализ качественного состава водорастворимых солей и состава обменных оснований свидетельствует, что карбонатные черноземы при орошении не подвержены вторичному засолению и осолонце-ванию, что связано с отсутствием засоленности лочвообразующих пород и высоким качеством воды (2 солей - 0,1-0,3%, Я - 0,56-0,92).

5. Установлено уменьшение в содержании общего гумуса на 0,50,8$ на неорошаемой паыне,- 0,3-0,6$ на 5-летнем орошении и на 0,9-11}$ на 17-летнем орошении.

6. Распевка и орошение- не оказывают существенного влияния на

' гранулометрический и микроагрегатный состав тякелосугяинистых черноземов. В макроагрегатном составе на пашне наблюдается значи -тельное снижение фракции агрономически ценных агрегатов а уменьшение коэффициента структурности в верхних горизонтах в 3-27 раз

по сравнению с целиной и особенно на пашне орошения с капиллярно--подпертьш водным режимом. Аналогичные изменения наблюдаются по степени возрастания уплотнения почвы (на 0,20-0,30 г/1 см3).снижению общей пористости (на 10-20%) и пористости аэрации (на 1525%).

7. Изучение режима влажности показывает, что непрошвнсй тип водного режима на целине и неорошаемой пашне переходит в промывной (5 лет) и в капиллярно-подпертый (17 лет) на орошаемой пашне.

8. Распашка черноземов и особенно первые годы орошения увеличивает общую числснность различных физиологических групп микроор-. ганизков в 2-5 раз. При подъеме грунтовых вод наблюдается существенное снижение их численности (в среднем в 6-8 раз). Б сезонной динашке на пашне для микроорганизмов, выращенных на средах ША, КАА, Чапека-Докса, наибольшей численность была в фазу цветения,а для целлюлозоразрушаацкх микроорганизмов - в послеуборочный период. Для целинного участка характерна сезонная стабильность показателей общей численности.

9. На'неорошаемой пашне, по сравнению с целиной, происходит снижение нитрогеназной активности в 1,5-2 раза. Орошение при про-швноы водном режиме способствует увеличению активности азотфик-сацни, а при капиллярно-подпертом наблюдается резкое снижение нитрогеназной активности е 5-7 раз.

10. Трансформация минеральной части черноземов и их живой фазы приводит к изменению физико-химических показателей. Изучение суточной и сезонкой динамики состава почвенного раствора (/>? ¿/¿и) в зоне ризосферы показало на связь с процессом фотосинтеза, поглотительно-выделительной способностью растений и дало следующие результаты:

- распашка черноземов и особенно' их орошение при промывном водном режиме способствует увеличению ОВП на 30-100 мЗ и сниже- • нию рН на 0,2-0,6 при наибольших значениях ЕЛ и наименьших рН в фазу цветения кукурузы. При капиллярно-подпертом водном режиме наблюдается сниксике ОВ-потенциалэ на 20-110 мВ и увеличение рН на 0,3-0,4 особенно в послеуборочный период. Суточные колебания ЕЛ и рН (Си ) в несколько раз'ваше, чек на целине, что свиде -тельствует о больше*! напряженности физико-химических процессов;

- установлена взаимосвязь динамики Са2* в суточном цикле с показателей рН при активности иона на целине в 10-100 раз боль-шоп, чем на участках пошей, что связано с изменением физических свойств;

- содержание К1, в суточном цикле на участках пашни более чем в 100 раз меньше, чем на целике, что благоприятствует образова -нию смектитов из гидрослюд;

- на целине активность //в 10-20 раз вше, чем на пашнб. Наблюдается увеличение активности Л^0J на пашне и соотношение л^ : //Oj на целине равно 1:1 или 1:3, а на участках пашни 1:10 или 1:100 и более.

II. Орошение в первые годы способствует увеличению урожайности кукурузы на 23%. Вследствие ухудшения состава и свойств черноземов при подъеме грунтовых вод происходит снижение урожайности кукурузы на 140%.

Список работ, опубликованных по теме диссертации

1. Тюльпанов З.И., Цховребов B.C. Энергетика и основные причины слитизации черноземов при орошении // Орошаемые чернозеш и их рациональное кспользовапие. - Новочеркасск, 1990. - С.18-27.

2. Тюльпанов В.И., Цховребов B.C. Сравнительная характеристика физических свойств и структурного состояния целинного, неорошаемого и орошаемого карбонатного подтипа чернозема. - Новочеркасск, 1990. - С.39

3. Тюльпанов В.И., Цховребов B.C. Активность нитратной и аммонийной форм азота на карбонатных черноземах в условиях неорошаемой и орошаемой пашни // Тез. докл. меквуз. науч.-практ. конф. молодых ученых и специалистов, посвященной 60-летию Ставрополь -ского СXII. - Ставрополь, 1991. - С.94-95.'

4. Тюльпанов В.И., Цховребов B.C. Эволюционные изменения свойств карбонатного чернозема в системе целина-пашня-орошаемая пашня. - Абакан, 1992. - С.120-122.

.5. В коллективе авторов. Указания по рациональному использованию орошаемых черноземов Северного Кавказа и Центрально-Черноземных областей. - Новочеркасск, 1992.- 104 с.

3.6-5. Т.