Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Природно-антропогенная эволюция солонцов

ВАК РФ 03.00.27, Почвоведение

Текст научной работыДиссертация по биологии, доктора биологических наук, Еремченко, Ольга Зиновьевна, Пермь

ПЕРМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ПРИРОДНО-АНТРОПОГЕННАЯ ЭВОЛЮЦИЯ СОЛОНЦОВ

03.00.27. - Почвоведение

Диссертация на соискание ученой степени доктора биологических наук

На правах рукописи

. № .,99-

1ЧЕНКО ОЛЬГА ЗИНОВЬ

ВЬЕВНА

Пермь 1999

ОГЛАВЛЕНИЕ

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

Глава 1. ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ

СОЛОНЦЕОБРАЗОВАНИЯ В ЮЖНОМ ЗАУРАЛЬЕ..................... 11

1.1. Природные условия....................................................................... 11

1.2. Объекты и методы исследований.................................................. 17

1.3. Особенности солонцеобразования в озерной лесостепи............. 23

1.3.1. Солонцовые стационары Троицкого учлесхоза....................... 23

1.3.2. Солонцовый комплекс в Октябрьском районе........................ 44

1.4. Особенности солонцеобразования в степной

зоне пенеплена...................................................................................... 50

Глава 2. ЦИКЛИЧНОСТЬ РАЗВИТИЯ ЭКОСИСТЕМЫ СОЛОНЦОВЫХ КОМПЛЕКСОВ..................................................... 76

2.1. Цикличность и направленность

природно-антропогенного почвообразования................................. 76

2.2. Цикличность изменений гидротермических условий.................. 82

2.3. Цикличность изменений гидрологических условий.................... 91

2.4. Цикличность почвообразования в целинных солонцах............ 119

2.4.1. Засоление и рассоление............................................................. 119

2.4.2. Изменения насыщенности натрием ......................................... 162

2.4.3. Изменения карбонатности ........................................................ 165

Глава 3. ЦИКЛИЧНОСТЬ И НАПРАВЛЕННОСТЬ ПОЧВООБРАЗОВАНИЯ В АГРОГЕННО-ИЗМЕНЕННЫХ СОЛОНЦАХ...................................................................................... 172

3.1. Динамика полевой влажности.................................................... 172

3.2. Закономерности почвообразования........................................... 179

3.2.1. Засоление-рассоление, ретроспекция и прогноз..................... 179

3.2.2. Изменения насыщенности натрием.......................................... 231

3.2.3. Процессы карбонатизации-декарбонизации........................... 244

3.3. Почвообразовательные процессы в мелиорированных солонцах.............................................................................................. 256

3.4. Динамика содержания гумуса, подвижных форм

азота и фосфора.................................................................................. 289

3.4.1. Развитие процесса дегумификации......................................... 289

3.4.2. Изменения в содержании питательных элементов.................. 293

Глава 4. АГРОГЕННАЯ ТРАНСФОРМАЦИЯ ГЕНЕТИЧЕСКОГО ПРОФИЛЯ СОЛОНЦОВ................................ 300

4.1. Процессы формирования солонцового профиля....................... 300

4.2. Агрогенная трансформация солонцов в лесостепи.................... 309

4.3. Агрогенная трансформация солонцов в степи........................... 346

Глава 5. ПЛОДОРОДИЕ СОЛОНЦОВ В УСЛОВИЯХ РИТМИЧНОГО ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ЭКОСИСТЕМЫ...... 381

5.1. Динамика плодородия солонцов лесостепного Зауралья.......... 381

5.2. Эффективность мелиоративных мероприятий........................... 401

5.3. Агромелиоративная оценка солонцов Челябинской

области................................................................................................ 413

ВЫВОДЫ........................................................................................... 424

ЛИТЕРАТУРА................................................................................... 427

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность исследований.

В современном почвоведении общепринято положение о том, что состав и свойства почв подвержены непрерывным изменениям в результате обмена веществ и энергии между почвой и окружающими ее природными системами. Накопление изменений с течением времени отражается на характерных признаках почвы, появляется необходимость введения ее нового классификационного наименования. Такое прогрессивное изменение состава, свойств и энергетического состояния называют эволюцией почвы. Эволюция почв и почвенного покрова планеты есть следствие непрерывно идущего почвообразовательного процесс-а.

Характерной чертой почвообразовательных процессов является цикличность. Понятие цикличности развития почв сформулировано в работах А.А.Роде (1971, 1989). Цикличность почвообразования выражается в возникновении и взаимной смене слагающих его процессов противоположного характера и направления. Суточные и годовые циклы почвообразовательных процессов соответствуют наиболее резко выраженным циклам поступления солнечной энергии. А.А.Роде (1989) был убежден, что кроме этих правильно периодических циклов существуют ряд других, связанных со среднемасштабной (многолетней) цикличностью увлажненности климата. О значении подобных циклов в почвообразовании мы знаем очень мало. Во многих научных трудах констатируется существование среднемасштабной по продолжительности цикличности почвообразования (Ковда, 1973, Гаджиев, 1982, Керженцев, 1992, Бахнов и др., 1988, Соколов, 1993, Самойлова, Толчельников, 1991, Козловский, 1991, Геннадиев, 1992 и др.). Однако, прежнему отсутствуют работы, анализирующие закономерности проявлений цикличности почвообразования и ее значение в функциониро-

вании почв; в частности, роль в изменчивости химических, физико-химических, биологических свойств почвы.

Земледельческие воздействия изменяют потоки веществ и энергии проходящие через почву и, как правило, ускоряют процесс почвообразования. В агрогенно-измененных почвах большая часть индуцированных процессов, по-видимому, имеет природоподобный характер. Однако агрогенное воздействие может вызвать развитие почвообразовательных процессов, не свойственные природному состоянию данной экосистемы и ее почвы. Эти почвообразовательные процессы формируют новые морфологические, химические и другие признаки почвенных горизонтов. В связи с ускорением современного почвообразования огромное значение приобретает ранняя диагностика этих процессов, необходимая для прогноза изменений свойств почвы и своевременного предотвращения потери ею плодородия.

В нашей стране освоение солонцовых почв было поставлено широко. В полевые и кормовые обороты включены миллионы гектаров солонцов и солонцеватых почв. Работами К.К.Гедройца, А.М.Можейко, Т.Н.Самбура, Н.В.Орловского, И.Н.Антипова-Каратаева, К.П.Пака и многих других были обоснованы приемы повышения их плодородия (химическая мелиорация, мелиоративные обработки, глубокое безотвальное рыхление, удобрения, подбор солонцеустойчивых культур), которые, к сожалению, в конкретных природных и агротехнологических условиях оказывались малоэффективными, сопровождались деградацией свойств почв. Трудности в реализации любых видов мелиорации в значительной степени связаны с принятой в теории и практике земледелия статической модели солонцовой почвы, недооценкой динамичности мелиоративных свойств солонцов в зависимости от гидролого-гидротермических условий и направленности почвообразовательных процессов. Современная научная мысль осознает актуальность и плодотворность учения о почвенных процессах, о динамичных свойствах почв, раскрывающего механизмы почвообразования и позволяющего диагностировать ранние признаки зарождающихся почвенных процессов. Этот раздел почвоведения может стать

научной базой и методической основой почвенных прогнозов, что крайне важно не только в научных, но и в практических целях (управление плодородием почв, охрана почв и др).

Опираясь на вышеуказанные методологические подходы была поставлена проблема изучения закономерностей природно-антропогенной эволюции солонцов.

Цель работы.

Разработать и обосновать концепцию взаимодействия циклических почвообразовательных процессов, обусловленных многолетними циклами изменений увлажненности климата, и направленных процессов, индуцированных земледельческим воздействием, в формировании свойств солонцов.

Были поставлены следующие задачи:

1. Изучить закономерности среднемасштабной по продолжительности ритмичности функционирования компонентов экосистемы солонцовых комплексов и связанных с ними изменений почвообразовательных процессов.

2. Усовершенствовать динамическую модель солонца с внутренним взаимодействием почвообразовательных процессов.

3. Диагностировать направленные почвообразовательные процессы на современном природно-антропогенном этапе эволюции и их роль в формировании свойств солонцов.

4. Дать количественную оценку связей в системе солонец - факторы природной среды и их изменений во времени, предложить систему прогноза почвенно-экологических условий для оптимизации хозяйственного использования солонцов.

Объекты исследований.

Природно-антропогенную эволюцию солонцов изучали в стационарных опытах (от 3 до 68 лет наблюдений) на территории Челябинской области в условиях лесостепной и степной зон Южного Зауралья.

Режимные наблюдения по генезису и химической мелиорации солонцов лесостепного Зауралья были начаты А.И. Обориным в конце 20-х гг. на территории Троицкого учлесхоза Челябинской области, затем обобщены в кандидатской и докторской диссертациях. После безвременной кончины профессора А.И. Оборина в 1976 г. исследования продолжили сотрудники кабинета почвоведения и Естественно-Научного института при Пермском университете. Автор принимал в них участие с 1976 г., первоначально под научным руководством профессора А.И. Оборина и канд. биол. наук Л.К. Главатских, затем, при работе над кандидатской диссертацией, - д-ра биол. наук П.С. Панина. Опубликованные материалы исследований за 1932-1975 гг. обобщены с результатами исследований за 1976-1997 гг., в которых автор принимал участие сначала как исполнитель, затем как научный руководитель. Были использованы также материалы инвентаризации солонцов Челябинской области Уралгипроземом (1985) и результаты почвенного картографирования территории агрохо-зяйств области.

Научная новизна

Впервые установлено, что в современном природно-антропогенной эволюции солонцов отчетливо выражена цикличность развития почвообразовательных процессов, обусловливающая колебательные изменения мелиоративных свойств этих почв. Отмеченная ритмичность функционирования солонцов обусловлена 20-22 - летними циклами увлажненности климата, а также циклами колебаний уровня, минерализации, химического состава грунтовых вод в экосистеме солонцовых комплексов.

Диагностированы почвообразовательные процессы, формирующие новые характерные признаки горизонтов солонцов и развивающиеся в зависимости от характера земледельческих воздействий и генетических особенностей солонцов.

Обоснована высокая изменчивость ведущих мелиоративных параметров солонцов в зависимости от направленности развития процессов засоления-рассоления. Циклические и направленные изменения засоленности

сопровождаются изменениями в гумусовом состоянии, в комплексе химических и физико-химических свойств, в обеспеченности питательными элементами, в уровне продуктивности солонцов.

Установленная количественная оценка связи засоленности и продуктивности солонцов с увлажненностью климата, глубиной залегания и минерализацией грунтовых вод позволила впервые составить ретроспекцию и прогноз изменений почвенно-экологических условий в Южном Зауралье.

Защищаемые положения.

1. На современном этапе природно-антропогенной эволюции солонцов проявляется среднемасштабная цикличность развития почвообразовательных процессов, обусловленная 20-22-летними циклами увлажненности климата и вызывающая периодическую изменчивость ведущих параметров плодородия этих почв.

2. В агрогенной эволюции солонцов диагностированы направленные процессы дегумификации, засоления, рассоления, карбонатизации, декарбонизации, ощелачивания, нейтрализации и намывные водно-эрозионные процессы, развивающиеся в зависимости от вида земледельческого воздействия и генетических особенностей почвы и формирующие характерные признаки почвенных горизонтов.

Практическая значимость.

Полученная информация о цикличности функционирования солонцов может служить основой для разработки проектов мелиоративных мероприятий, может использоваться и в других регионах развития процессов вторичного засоления-осолонцевания почв. Прогнозирование направленности изменений состояния компонентов солонцовой экосистемы и свойств солонцов на несколько лет вперед позволяет выбрать оптимальные сроки для проведения мелиоративных мероприятий, избежать материальных затрат из-за применения неэффективных приемов земледелия.

Изучены особенности современного состояния генетического профиля агрогенно-трансформированных солонцов, которые необходимо учитывать при проектировании мероприятий по повышению плодородия и ох-

ране почв. Выделены приемы земледелия, вызывающие развитие деграда-ционных процессов, снижающих эффективное плодородие луговых солонцов; установлены гидролого-гидротермические условия, усиливающие их негативное воздействие на формирование свойств и режимов почв. Выявлено значение водно-эрозионных процессов в формировании экологических свойств солонцовых почв Зауральского пенеплена.

Апробация и публикация результатов исследований.

Результаты исследований доложены на научных конференциях сотрудников Пермского университета (1980-1998), на конференциях молодых ученых и специалистов в г. Перми (1981, 1983), на региональном совещании "Земельные ресурсы Сибири" в Новосибирске (1982), на совещании по координации ботанических исследований на Урале в г. Перми (1986), на Всесоюзном научно-техническом совещании "Пути повышения продуктивности солонцовых почв" в г. Новосибирске (1986), на 1 Форуме почвоведов России в г. Пущино-на-Оке (1993), на региональных научно-технических конференциях в г. Челябинске (1994) и г. Перми (1994), на Межгосударственной научно-технической конференции в г. Магнитогорске (1994), на 3-й Международной научно-технической конференции в г. Челябинске (1995), на 2-й межвузовской научно-производственной конференции в г. Перми (1995), на 2-м съезде почвоведов России (1996), на Всероссийской конференции "Антропогенная деградация почвенного покрова и меры ее предупреждения (1998), на Всероссийской научно-практической конференции "Современные проблемы повышения продуктивности и охраны аридных ландшафтов" (1998).

Материалы исследований, которые легли в основу диссертации, опубликованы в 49 печатных работах: в монографии, в методическом руководстве и методических указаниях, в 26 статьях, в 20 тезисах и материалах съездов и конференций.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы. Работа изложена на 462 страницах, содержит 124 таблицы и 116

рисунков. Список литературы включает 599 наименований, из них 17 на иностранных языках.

При сборе материала в полевых исследованиях автор сотрудничал с канд. биол. наук Л.К. Главатских, канд. биол. наук В.И.Каменщиковой, канд. с.-х. наук Н.В.Орловой, канд. биол. наук Л.А.Антоновой, канд. биол. наук М.С.Кайгородовой, инженерами В.З.Таскаевой, З.С.Треногиной, Л.В. Кувшинской, А.Р.Ляминым, В.В.Тарановым, Е.П.Ракутиной. Значительный объем данных лабораторных исследований получен при участии З.С.Треногиной, Л.В.Кувшинской,

Т.П.Костюниной, Т.В. Елисеевой, Е.Е.Одеговой. Минералогический состав илистой фракции почв изучен д-ром с.-х. наук Н.П.Чижиковой. Автор выражает глубокую признательность всем сотрудникам Пермского университета и других организаций за содействие, ценные советы и консультации при выполнении исследований и написании работы.

ГЛАВА 1

ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ СОЛОНЦЕОБРАЗОВАНИЯ

В ЮЖНОМ ЗАУРАЛЬЕ

1.1. Природные условия

В географические границы Южного Зауралья входят две крупные области - Челябинская и Курганская (Вопросы химизации..., 1971). Курганская область расположена в лесостепной зоне, общая площадь ее около 71 тыс. кв. км. В пределах Челябинской области, занимающей территорию около 88 тыс. кв. км, выделяют горно-лесную, лесостепную и степную природные зоны. Лесостепная зона занимает северо-восточную, восточную и центральную части территории до границ Свердловской области. Степная зона простирается от 54-й параллели до южной границы Челябинской области. Солонцовые почвы распространены в пределах лесостепной и степной зон Южного Зауралья.

Климат. Годовой приход солнечной радиации в Южном Зауралье изменяется от 140 ккал/см2 на севере до 170 ккал/см2 на юге. Преобладает западный перенос воздушных масс, но удаленность от океана усиливает континентальность воздуха. Зауралье расположено в "дождевой тени" Урала, большая часть влаги остается в Предуралье. Часто вторгается арктический воздух, при этом в зимний период устанавливаются жестокие морозы, весной - ночные заморозки, а летом в антициклоне - засухи. Летом иногда из Азии поступает континентальный тропический воздух, устанавливается жаркая и сухая погода с суховеями. В годы с сильно развитой циклонной деятельностью наблюдается холодная дождливая погода. Жестокие засухи устанавливаются при едином мощном субтропическом антициклоне.

Лесостепная зона входит в континентальную лесостепную ЗападноСибирскую область, где климат слагается под воздействием циклонической и анти�