Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Пространственно-временное варьирование основных показателей плодородия черноземов Каменной Степи

ВАК РФ 03.02.13, Почвоведение

Автореферат диссертации по теме "Пространственно-временное варьирование основных показателей плодородия черноземов Каменной Степи"

005018252

На правах рукописи

БЕСПАЛОВ ВЛАДИМИР АЛЕКСЕЕВИЧ

ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННОЕ ВАРЬИРОВАНИЕ ОСНОВНЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ПЛОДОРОДИЯ ЧЕРНОЗЕМОВ КАМЕННОЙ СТЕПИ

Специальность 03.02.13 - почвоведение

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата биолог ических наук

Москва 2012

1 9 ДПР 2012

Работа выполнена в отделе агропочвоведения ГНУ Воронежского научно-

сельского хозяйства имени В.В. Докучаева

доктор биологических наук, заведующий отделом агропочвоведения ГНУ Воронежского НИИСХ Росеельхозакадемии Чевердин Юрий Иванович

доктор сельскохозяйственных наук, профессор Белгородской государственной сельскохозяйственной академии Уваров Геннадий Иванович

кандидат биологических наук, доцент МГУ им. М.В. Ломоносова Моргун Евгений Георгиевич

Ведущая организация: ГНУ Всероссийский научно-

исследовательский институт земледелия и защиты почв от эрозии Росеельхозакадемии

Защита состоится «15» мая 2012 г. в 15 ч 30 мин в аудитории М-2 факультета почвоведения МГУ на заседании диссертационного совета Д 501.001.57 при МГУ имени М.В. Ломоносова по адресу: 119991, Москва, ГСП-1, Ленинские горы, МГУ, д. 1, стр. 12, факультет почвоведения.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке факультета почвоведения МГУ имени М.В. Ломоносова.

Автореферат разослан «11» апреля 2012 г.

Приглашаем Вас принять участие в обсуждении диссертации на заседании диссертационного совета или присылать отзывы на автореферат в 2-х экземплярах, заверенных печатью, по адресу: 119991, Москва, ГСП-1, Ленинские горы, МГУ, д. 1, стр. 12, факультет почвоведения, ученому секретарю диссертационного совета.

исследовательского института Росеельхозакадемии

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ученый секретарь . у

диссертационного совета ^-Ссс^с**^* Алла Сергеевна Никифорова

доктор биологических наук

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Главной особенностью современного развития почв является многостороннее и ногогранное антропогенное воздействие на почвообразовательный процесс, •собенно остро эта проблема стоит в Центрально-Черноземной зоне (ЦЧЗ) с лительным периодом антропогенного воздействия и высокой распаханностью грритории. Почвы региона подвержены периодическим стрессовым антропогенным и риродным нагрузкам. Не является исключением и Каменная Степь, где почвы одвержены нагрузкам уже более ста лет. С момента начала проведения исследований Каменной Степи они подвергались воздействию часто повторяющихся засух. В оследние десятилетие значительный ущерб почвенному покрову наносится следствие нерационального ведения хозяйства, нарушения земледельческих ехнологий, связанных с изменившейся экономической ситуацией в стране и худшением экологических условий.

Это приводит к изменению многих физико-химических свойств черноземов. )тмечается снижение содержания гумуса, насыщенности почвенного поглощающего омплекса (1111К) обменными основаниями, показателей эффективного плодородия :очв. Нарушается водный баланс, в связи с трансформацией физических свойств ерноземов в худшую сторону. Поэтому необходимо как можно более эффективно пособствовать сохранению почвенного плодородия.

В связи с тем, что в последнее время значительно сократилось количество юниторинговых исследований, снизилось их качество и значительно уменьшилось оличество получаемой информации, возросла актуальность и необходимость [роведения детальных наблюдений за изменением свойств черноземных почв. В [ервую очередь это необходимо для планирования мероприятий, способствующих ювышению и сохранению исходно высокого потенциала почвенного плодородия [ерноземов, и составления длительных долгосрочных прогнозов.

На решение целого ряда проблем, связанных с разработкой комплексной оценки ' ^временного состояния черноземных почв Каменной Степи, испытывающих на себе >азличную степень и интенсивность антропогенной нагрузки, и была направлена наша >абота.

Цель исследований и задачи исследования. Целью работы является изучение [ространственно-временной динамики изменения основных агрохимических и ирофизических показателей почвенного плодородия черноземов Каменной Степи при »азличных антропогенных воздействиях.

В процессе работы решались следующие задачи:

1. Создать сеть среднесрочных и долгосрочных мониторинговых площадок IIIя изучения изменения свойств почв во времени и провести оценку современного :остояния почвенного плодородия черноземов.

2. Изучить механизм профильного изменения основных показателей почвенного плодородия и оценить степень варьирования этих показателей в пространстве и во времени.

3. На основе полученного материала построить картосхемы распределения основных показателей плодородия черноземов на изучаемых площадках.

4. Рассчитать некоторые статистические характеристики распределит: основных показателей почвенного плодородия черноземов.

5. Определить зависимость основных физических, физико-химических I химических свойств и изменение показателей плодородия черноземов при различно! длительности антропогенного воздействия, и их взаимосвязь с урожайность« сельскохозяйственных культур в краткосрочном опыте.

Научная новизна работы. Впервые в Каменной Степи установлень особенности современного состояния и формирования агрохимических и физико химических свойств чернозёмных почв на основе длительно функционирующи: мониторинговых площадок. Результаты исследований углубили и расширил существующие представления о временной динамике органического вещества i других показателей плодородия черноземов Каменной Степи при paзличнoi длительности антропогенных воздействий с учетом особенностей и: пространственного распределения. В результате комплексных исследований на основ системного подхода дана всесторонняя характеристика гумусного, агрохимического i агрофизического состояния чернозёмных почв.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Почвенный покров агроландшафтов Каменной Степи представле] сложными сочетаниями, пятнистостями и комплексами обыкновенны> выщелоченных, типичных и перерытых черноземов разной степени мощности ] выщелоченности, которые характеризуются значительным внутрипольньп варьированием основных морфометрических параметров.

2. Черноземы Каменной Степи характеризуются значительны! пространственно-временным варьированием и различием профильного распределени некоторых основных показателей почвенного плодородия:

содержания гумуса и его состава, обменных оснований, показателей кислотности.

3. Вовлечение в сельскохозяйственное производство степных (залежных угодий приводит к заметному изменению количественных и качественны показателей физических, физико-химических и химических свойств черноземны почв.

Практическая значимость работы. Установленные закономерност варьирования свойств почв могут быть использованы при разработке адаптивне ландшафтных систем земледелия. Полученные материалы лягут в основу составлени базы данных и разработки геоинформационной системы для почв Каменной Степи перспективой применения точечного земледелия.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались н Международной научно-практической конференции «Актуальные проблем] повышения эффективности агропромышленного комплекса» (Курск, 2008), н Всероссийской конференции «Энтузиасты аграрной науки» (Краснодар, 2008), н заседании Территориального координационного совета «Проблемы земледелия ЦЧЗ (Каменная Степь, 2009, 2011), на IV Всероссийской конференции с международны] участием (Томск, 2010), на Ученом совете ГНУ Воронежского НИИСХ имени В.Б Докучаева Россельхозакадемии.

Личный вклад соискателя. Работа выполнена в отделе агропочвоведения ГНУ (оронежского НИИСХ имени В.В. Докучаева Россельхозакадемии в 2007-2010 гг. 1рограмма исследований представлена и поддержана в виде отдельного проекта 'ФФИ №08-04-01195 а «Постагрогенная регенерация и эволюция почв черноземной оны». Автору принадлежит постановка целей и задач исследований, проведение юлевых и частично аналитических работ, статистическая обработка кспериментальных данных, систематизация, теоретическое обобщение, [нтерпретация полученных данных, формулировка выводов.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 8 работ, в том числе 3 1аботы — в рецензируемых изданиях, определенных Высшей аттестационной :омиссией РФ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, 1Ыводов, списка использованной литературы и приложений. Содержит 171 страницу машинописного текста, включает 19 таблиц, 31 рисунок, 24 таблицы приложения и »писание почвенных разрезов. В список использованной литературы внесено 331 1сточник, в том числе 10 иностранных авторов.

Благодарности. Автор выражает глубокую благодарность научному >уководителю диссертационной работы д. б. н. Чевердину Ю.И., к. б. н. Зборищук О.Н. за полезные советы при написании диссертации, всему коллективу отдела |гропочвоведения за оказанную помощь в проведении лабораторных исследований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе дан обзор работ последних десятилетий, посвященных ^следованиям гумуса (Тюрин, 1937, 1965; Ваксман, 1937; Костычев, 1949; Кононова, 1951, 1953, 1963; Александрова, 1978; Гринченко, 1979; Пономарева, Плотникова, 1980; Ковда, 1981 и др.; Лыков, 1982; Воронин, 1998; Щеглов, 2000; Scheffer, 1957; vlapp, 1967; Schulze, 1974; Oberlander, 1977) и других показателей почвенного 1лодородия (Клечковский, 1967; Мишустин, 1972; Воробьев и др., 1972; Забавская, 1974; Юркин, 1975; Гинзбург, 1981; Мязин, 1994; Парахневич, 1996), а также вменению этих показателей при различных антропогенных воздействиях (Адерихин, 1964; Ковда, 1973; Кузнецова, 1979; Егоров, 1981; Чесняк, 1981; Щербаков, Рудай, 1983; Щербаков, 1996; Уваров, 1997; Когут, 1998; Надежкин, 2000; Королев, 2002 vlyxa, 2004; Щеглов и др., 2006). Рассмотрены различия внутрипольного варьирования токазателей плодородия с учетом структуры почвенного покрова (Афанасьева, 1966; Цайнеко, Чижикова, 1967; Фридланд, 1972, 1984; Добровольский, 1993; Васенева и ф., 2000; Сорокина, 1993, 2000,2003; Хитров, 2009).

Во второй главе описаны почвенно-климатические условия ЦентральноЧерноземной зоны и Каменной Степи, а также объекты и методы исследований.

Центрально-Черноземная зона расположена в средней части европейской территории России. Она представлена двумя природными зонами: лесостепной и степной. По характеру рельефа западная часть Центрально-Черноземной зоны, расположенная на Среднерусской возвышенности, резко отличается от восточной, расположенной преимущественно на Окско-Донской равнине.

Климат Центрально-Черноземной зоны характеризуется умеренной

континентальностью с довольно продолжительным теплым летом и относительнс мягкой зимой. Среднегодовая норма атмосферных осадков колеблется от 550-575 на северо-западе до 410-450 мм на юге и юго-востоке.

Заметные климатические различия в пределах зоны определили формированш неоднородного почвенного покрова. На севере-западе лесостепи в Орловской I Курской областях широко распространены серые лесные и частично дерново подзолистые почвы, которые в направлении юго-востока постепенно переходят ] оподзоленные, а затем в выщелоченные и типичные черноземы. В южной лесостепи н: юге Воронежской и юго-востоке Белгородской областей преобладают обыкновенньк черноземы. Южная граница распространения обыкновенного чернозема примерш совпадает с границей, разделяющей лесостепь от степи. В степной зоне преобладаю-обыкновенные маломощные и южные черноземы.

Каменная Степь расположена на юго-востоке Воронежской области, на границ! двух природных зон: южной лесостепной и северной степи.

Характерной особенностью климата переходной зоны является изменчивость непостоянство режима осадков. В связи с изменением гидротермических условий : последние десятилетия в Каменной Степи уровень грунтовых вод изменился : Докучаевском колодце с 7,5 метров в конце XIX века до 3,0-3,5 метров в начале XX века. (Зборищук и др., 2007).

Почвенный покров Каменной Степи по данным почвенных изысканий проведенных сотрудниками ЦЧО гипрозема и ВГУ в 1983 г., а также по уточнснньп данным сотрудников ВГУ в 2004 г., представлен сложными комбинациями из лугово черноземных и черноземно-луговых почв разной степени выщелоченное^ карбонатности, солонцеватости и солончаковатости, черноземами обыкновенными типичными, зоогенно-перерытыми в сочетании с осолоделыми и солонцевато засоленными почвами западин, ложбин и склонов гидрографической сети, а такж аллювиально-делювиальными почвами. В условиях плоских поверхностей в слаб выраженных микропонижениях заметно выражены явления выщелачивания, что веде к формированию нетипичных для степи выщелоченных черноземных почв.

Почвенный покров Каменной Степи к настоящему времени претерпе изменения. Это связано с изменением почв в связи с динамико почвообразовательных процессов, обусловленных как природными, так антропогенными факторами (Зборищук и др., 2007).

Метеорологические условия в годы проведения исследований (2007-2010 гг.)

Годы исследований отличались разнообразными погодными условиями как п количеству осадков, так и по температурному режиму (рис. 1).

За годы наблюдений наиболее влажными были зимний (январь, февраль) осенний (сентябрь и ноябрь) периоды 2007 г.; в 2008 г. влажными были январь, март сентябрь; в 2009 г. наиболее влажными были зимние месяцы. Более засушливым периодами за годы исследований были летние периоды 2007, 2008 и 2010 гг. В июне июле 2010 года выпало меньше всего осадков, чем за весь период наблюдений, а такж были установлены рекорды температурных максимумов.

б

Рис. 1 - Количество осадков и среднемесячная температура 2007-2010 гг.

Объектами исследования послужили черноземные почвы Каменной Степи с четом структуры почвенного покрова. Для оценки пространственного и временного Изменения некоторых основных свойств черноземных почв в 2007-2008 гг. были аложены мониторинговые участки площадью в пределах 1га (рис. 2):

1 ) поле №2 южного селекционного севооборота (МУ-1 );

2) участок поля эколого-ландшафтных систем севооборотов между лесополосами № 178, 179 и 180 (МУ-2);

3) бывший орошаемый участок поля между лесополосами №138, 211 и 156 ЮУ-1);

4) бывший орошаемый участок поля отдела кормопроизводства между лесополосами №138,211 и 156(ОУ-2);

5) участок на солонцовом мелиоративном стационаре №1(СТ-1).

6) участок на солонцовом мелиоративном стационаре №2 (бывший участок десятого поля элитного севооборота), расположенном в верховье балки Нужной (СТ-2);

7) контрольный участок, заложенный Ю.И. Чевердиным в 2006 г., на ;осимой залежи заповедника № 1.

Вторая часть исследований посвящена выявлению степени временного варьирования некоторых основных свойств черноземных почв Каменной Степи под влиянием антропогенных факторов в зависимости от срока эксплуатации пашни, ее расположения в агроландшафте (широкий плоский водораздел и склон). Для этого нами был заложен ряд ключевых участков (рис. 2):

1 ) контрольный участок - залежь косимая 1882 г.;

2) пашня на водоразделе, введенная в эксплуатацию в 1992 г.;

3) пашня на водоразделе, введенная в эксплуатацию в 1952 г.;

4) пашня на склоне восточной экспозиции с уклоном 1-3°, введенная в эксплуатацию 1952 г. и расположенная южнее лесополосы № 126.

Почвенный покров мониторинговых участков плоского водораздела представлен четырехкомпонентной пятнистостью черноземов обыкновенных (агрочерноземов сегрегационных), черноземов типичных (агрочерноземов миграционно-мицелярных), черноземов зоогенно-перерытых (агрочерноземов зоотурбированных) и черноземов выщелоченных (агрочерноземов глинисто-иллювиальных). Почвенный покров солонцовых стационаров №1 и №2 представлен сочетанием черноземов

обыкновенных и черноземов зоогенно-перерытых на выпуклых элементах рельефа, черноземов солонцеватых на пологих бортах лощин, лугово-степных черноземные содово-сульфатных солонцов и черноземов выщелоченных (несолонцеватых) пс днищам лощин (Антипов-Каратаев и др., 1960).

4 - пашня 1952 г. на склоне) в межполосье Каменной Степи

Методы проведения исследований

На мониторинговых участках была нанесена регулярная сеть скважин ручног: бурения через каждые 25 м. На солонцовых стационарах №1,2 скважины бурились также по сетке, но с учетом особенностей СГТП данных участков. Каждая скважин привязана с помощью GPS. Планируется, что периодичность наблюдения за данным; мониторинговыми участками составит 5; 10; 15; 25 и 50 лет.

В процессе бурения устанавливалась глубина залегания горизонтов, отличающихся окраской и наличием карбонатов кальция (тест на вскипание от 18" НС1), и производился отбор образцов почв. Образцы почв отбирались сплошноГ; колонкой с глубины: 0-20, 20-30, 30-50, 50-70, 70-100, 100-120 и 120-150 см.

Исследования, наблюдения и анализы проводились в лаборатори: агропочвоведения ГНУ Воронежского НИИСХ имени В.В. Докучаева:

1. Гумус - по методу И.В. Тюрина в модификации В.Н. Симаковой (ГОСТ 6213-91).

2. Качественный состав гумуса - по методу И.В. Тюрина в модификации В.В. 1ономаревой и Т.А. Плотниковой (Орлов и др., 1969).

3. Обменные кальций и магний - трилонометрически по методике Почвенного [нститута («Агрохимические методы исследования почв», 1960).

4. Обменный натрий - метод ЦИНАО (1977) (ГОСТ 26950-86).

5. рН солевой (1,0н КС1) и водной вытяжек - потенциометрически (ГОСТ 16483-85).

6. Гидролитическая кислотность по Каппену (ГОСТ 26212-91).

7. Сумма поглощенных оснований - по Каппену-Гильковицу (ГОСТ 27821-88);

8. Степень насыщенности основаниями - расчетным способом по идролитической кислотности и сумме обменных оснований.

9. Влажность почвы - термостатно-весовым методом (взятие проб до глубины [ м через каждые 10 см) (Александрова, Найденова, 1986).

10. Структурный состав по Саввинову (Вадюнина, 1986).

11. Объемная масса почвы - методом взятия почвенных проб с ненарушенным ¡ложением с помощью режущих колец (Вадюнина, 1986).

12. Плотность твердой фазы почвы (удельный вес) - пикнометрически (ГОСТ И 81-78 и ГОСТ 5180-84).

13. Нитратный азот - спектрофотометрически.

14. Подвижный фосфор и обменный калий - по Чирикову (1956).

15. Морфологические свойства почв - по методическому руководству описания свойств почв в поле («Базовая шкала...», 1982).

16. Глубина нахождения карбонатов - по вскипанию горизонта от раствора 10% соляной кислоты.

17. Фенологические наблюдения - по методике Госкомиссии по сортоиспытанию сельскохозяйственных культур (1971).

18. Учет продуктивности растений методом метровок в 5-кратной повторности, зерно в пересчете на 14% влажность.

19. Метеорологические наблюдения по среднемесячной температуре и сумме выпавших осадков представлены из материалов Каменно-Степной метеостанции.

20. Экспериментальные данные подвергались статистической обработке дисперсионным и корреляционным методами по Б.А. Доспехову (1985) с помощью прикладных программ Microsoft Exel и Statistika. Графики выполнены с помощью программ Microsoft Exel и Statistika. Для пространственной экстраполяции результатов использовались геостатистические возможности стандартного пакета Surfer - V.9.O.

В третьей главе показано пространственное распределение основных показателей плодородия черноземов Каменной Степи.

Основные мор ф оме игр и чес кис показатели. С учетом особенностей структуры почвенного покрова нами получены статистические характеристики варьирования морфометрических показателей черноземов Каменной Степи, отражающих мощность и глубину залегания границ генетических горизонтов (табл. 1). Максимальная мощность гумусового горизонта характерна для косимой залежи и солонцового

Таблица 1 - Статистические характеристики распределения морфометрических показателей н;

Статистические показатели Мощность (Апах+А), см Нижняя граница гор. АВ, см Глубина вскипания от НС1, см

Водораздел (МУ-1)

Среднее(п=16) 38 75 51

Минимум 28 64 30

Нижний квартиль 32 69 39

Медиана 36 74 49

Верхний квартиль 45 79 61

Максимум 52 87 79

Коэффициент вариации, % 19,6 10,0 28,2

Косимая залежь

Среднее(п=15) 53 81 62

Минимум 38 60 15

Нижний квартиль 48 72 47

Медиана 55 80 68

Верхний квартиль 59 91 77

Максимум 66 і 00 105

Коэффициент вариации, % 15,8 16,9 40,1

Бывший орошаемый участок (ОУ-1)

Среднее (п-16) 37 66 68

Минимум 28 39 36

Нижний квартиль 30 56 54

Медиана 34 67 72

Верхний квартиль 40 78 80

Максимум 58 89 105

Коэффициент вариации, % 25,0 24,0 28,0

Поле эколого-ландшафтных севооборотов (МУ-2)

Среднее (п=15) 31 55 50

Минимум 25 25 25

Нижний квартиль 30 48 39

Медиана 30 55 55

Верхний квартиль 34 67 59

Максимум 37 68 68

Коэффициент вариации, % 10,2 21,7 28,7

Солонцовый стационар №1 (СТ-1)

Среднее (п=32) 39 72 71

Минимум 20 42 5

Нижний квартиль 32 50 39

Медиана 38 73 . 66

Верхний квартиль 45 88 101

Максимум 80 115 147

Коэффициент вариации, % 31,7 28,5 53,8

Солонцовый стационар №2 (СТ-2)

Среднее (п—27) 45 77 63

Минимум 20 41 32

Нижний квартиль 32 57 45

Медиана 40 67 52

Верхний кйартиль 48 94 77

Максимум 100 150 128

Коэффициент вариации, % 40,5 37,2 40,3

.тационара №2 - 53 и 45 см соответственно. Для остальных объектов она изменяется /г 28 до 38 см. Повышенная мощность гумусового горизонта для почв избыточного /влажнения, характерного для солонцовых стационаров, обусловлена концентрацией в [их основной массы корней и снижением интенсивности минерализации органического вещества. Статистическая обработка данных показывает, что , 1аксимальная величина коэффициента вариации мощности гумусового горизонта наблюдается в черноземах солонцовых стационаров - 40%, на плоских водоразделах коэффициент вариации не превышает 25%.

На основе морфологического описания получены картосхемы распределения в пространстве нижней границы горизонта АВ и верхней границы вскипания от НС1 рис. 3; 4). Различия мощности гумусового горизонта соответствуют особенностям СПП и влиянию микрорельефа данных участков. Проведенные нами исследования гоказали, что почвенный покров агроландшафтов Каменной Степи представлен .сложными сочетаниями, пятнистостью и комплексами обыкновенных, выщелоченных, типичных и зоогенно-перерытых черноземов разной мощности и степени зыщелоченности, которые характеризуются значительным внутрипольным варьированием основных морфометрических параметров.

Рис.3. Картосхемы мощности гумусового горизонта: а) поле южного селекционного севооборота (водораздел); б) косимая залежь; в) участок на солонцовом стационаре №2

Рис.4. Картосхемы глубины вскипания от НС1: а) бывший орошаемый участок; б) поле эколого-ландшафтных систем севооборотов; в) участок на солонцовом стационаре №1

На рис. 5 изображены диаграммы размаха морфометрических параметров на ключевых участках.

Диаграмма разима горизонта А,

Диаграмм* размаха глубины юлагания горизонта AB, с

□ среднее Г~| Срваиее*0.95 До», интервал Среднее* 1.М'Ст.отат.

I I Средим±0.95Дм. кнтармл ~Т~ Сред нее* 1, 9б'Ст .откл.

а)

б)

Диаграмма размаха глубины вскипания от HCl, см

Водораздел Орошение СТ-2

Севообор СТ-1 Залежь

□ Среднее I 1 Среднее±0,95 Дов. интервал

"Т Среднев*1.96*Ст.спкл.

в)

Рис. 5. Диаграммы размаха: а) мощности горизонта А, см; б) нижней границы горизонта AB, см; в)

глубины вскипания от HCl, см

При сравнении средних величин мощности гумусового горизонта (по ^критерию Стъюдента) получены достоверные отличия этого показателя на пашнях и солонцовом стационаре №1 по сравнению с косимой залежью. Максимальное различие было отмечено между участком МУ-2 и косимой залежью (1расч =9,56>1таб =2,04), минимальное - между участком ОУ-1 и косимой залежью (1расч =3,18>1та6 =2,04). Для пары участков СТ-2 и косимая залежь существенных различий найдено не было (1расч. =1,95<1таб =2,02). Получены достоверные отличия нижней границы горизонта АВ на участке ОУ-1 (1расч =2,83>1гао. =2,04) и МУ-2 (1расч =5,53>гта6. =2,04) по сравнению с косимой залежью. Между водораздельным участком, солонцовыми стационарами и косимой залежью существенных различий найдено не было (1расч. <1|а6.).

Таким образом, для всех почв Каменной Степи характерен более или менее одинаковый диапазон мощности гумусового горизонта (Апах+А) и гумусового слоя в целом (Апах^А I АВ). Преобладают среднемощные виды (40-80 см). Почвы Каменной Степи наиболее заметно различаются по глубине появления сплошной пропитки карбонатами кальция (глубине вскипания по НС1). Величина этого показателя обусловлена формой рельефа, роющей деятельностью животных, эрозионными процессами и сезонным изменением уровня грунтовых вод.

12

Содержание гумуса и его групповой состав. Нами проводилось изучение гумусового состояния черноземных почв Каменной Степи на заложенных мониторинговых участках. Все определенные показатели содержания и группового состава гумуса были подвергнуты статистической обработке.

Наши исследования показали, что наибольшее содержание гумуса отмечено в почвах заповедных участков и на мониторинговом участке СТ-1. В верхнем 0-20 см слое почвы количество гумуса составило на косимой залежи 9,95% (табл. 2), на СТ-1 -9,81% (табл. 2).

В почве пашни процессы минерализации происходят более интенсивно, чем на залежи, поэтому наблюдается снижение содержание гумуса. Так, в слое 0-20 см на пашне значение этого показателя колеблется от 6,49 до 8,23% (табл. 2). На рис. 6 показаны картосхемы распределения содержания гумуса на исследуемых мониторинговых участках, а на рис. 7 - диаграмма его размаха.

Таблица 2 - Статистические данные гумусного состояния мониторинговывх участков, 0-20, см

Статистические показатели Гумус,% Сорг.,% Сгк : Сфк Снегид. ост.,% Степень гумификации орг. в-ва, % Снег, ост./ Собщ., %

Среднее (МУ-1) 8,23 ' 2,036 5,11 2,739 34,33 57,36

Минимум 7,60 1,772 1,73 2,427 27,85 52,29

Максимум 8,70 2,322 13,57 3,046 39,59 61,86

Коэффициент вариации, % 3,6 7,3 55,8 6,2 9,0 4,8

Среднее (ОУ-1) 7,55 1,880 3,02 2,501 31,76 57,03

Минимум 6,58 1,491 1,40 2,033 18,61 49,96

Максимум 8,44 2,360 4,99 3,327 41,69 68,12

Коэффициент вариации, % 8,1 13,9 35,5 13,3 18,0 9,1

Среднее (МУ-2) 6,49 1,769 3,09 1,993 34,95 52,95

Минимум 5,74 1,511 2,20 1,647 29,42 47,36

Максимум 7,00 2,043 5,25 2,203 38,87 57,71

Коэффициент вариации, % 5,1 7,8 31,8 7,9 6,9 5,7

Среднее (ОУ-2) 6,98 1,597 3,18 2,450 29,38 60,48

Минимум 6,47 1,240 1,80 1,967 21,40 51,63

Максимум 7,78 1,964 5,34 2,870 37,01 68,70

Коэффициент вариации, % 5,5 13,4 33,7 11,3 12,9 8,9

Среднее (СТ-1) 9,81 2,247 3,48 3,441 29,73 60,35

Минимум 7,78 1,751 1,45 2,580 20,48 52,09

Максимум 12,12 2,845 9,62 4,705 38,61 66,93

Коэффициент вариации, % 11,1 11,2 49,4 14,4 14,1 5,9

Среднее (СТ-2) 7,93 1,883 4,81 2,716 32,68 58,85

Минимум 6,64 1,464 1,50 2,029 21,14 51,75

Максимум 9,23 2,232 11,04 3,523 42,90 68,04

Т^'о'^'ЬгЬмттрнт вялнянни % 9,9 11,0 55,7 15,4 15,5 7,9

в) г)

Рис. 6. Картосхемы распределения содержания гумуса в слое 0-20 см на мониторинговых участках, %: а) МУ-1, б) ОУ-1, в) косимая залежь (данные Ю.И. Чевердина (2006)), г) СТ-1

Диаграмма размаха содержания гумуса в слое 0-20 см, %

Водораздел Орошение-1 СТ-1

Севообор Орошение-2 СТ-2

□ Среднее І I Среднее±0,95 Дов. интервал "Г" Среднее±1,96*Ст.откл.

Рис. 7. Диаграмма размаха содержания гумуса в слое 0-20 см.1

Наши исследования показали, что антропогенное воздействие сопровождалось изменением характера аккумуляции гумуса по почвенному профилю, изменением состава гумуса (отношение Сгв:Сфк увеличивалось до 3,02-5,11) по сравнению с залежью, уменьшением содержания негидролизуемого остатка (в среднем от 60 до 53%). Степень гумификации на всех мониторинговых участках осталась на прежнем, по сравнению с залежью, высоком уровне.

По данным Б.П. Ахтырцева и др. (2004), высокая увлажненность гидроморфных зчв в течение всего теплого периода способствует накоплению негидролизуемого статка и снижению содержания гуминовых кислот, связанных с кальцием.

Нами были определено профильное распределение содержания гумуса на участках (рис. 8). В пределах почвенного профиля тип распределения гумуса -одинаков. В его верхней части, примерно до глубины 25-30 см, накопление гумуса дет равномерно, ниже (40-100 см) - по равномерно-аккумулятивному типу и с г лубины 100-110 см - по регрессивно-аккумулятивному.

I

40

60

л' 70

.5 го 90

I 100 110 120

140 ISO

а) б) в) г)

Рис. 8. Профильное распределение гумуса в черноземах Каменной Степи: а) МУ-2, б) косимая злежь*. в) ОУ-1, г) СТ-2

*Примечание. Данные по косимой залежи Ю.И. Чевердина за 2006 г.

Состав обменных оснований. Выполненные нами исследования черноземных : :очв под различными угодьями в Каменной Степи показали, что при увеличении длительности антропогенного воздействия, длительном периоде орошения, т:Остмелиоротивном воздействии в составе почвенно-поглощающего комплекса черноземов отмечается перераспределение состава обменных оснований — снижение одержания поглощенного кальция, и увеличение содержания поглощенных магния и натрия.

По нашим данным содержание обменного кальция на мониторинговых участках лежит в пределах 22,3-32,4 ммоль (экв) /100г (рис. 9). Коэффициент вариации изменяется от 8,5 до 26,4%. Содержание обменного магния на исследуемых участках осталось на прежнем уровне и лежит в пределах 6,6-9,8 мг-экв/100г. Коэффициенты -ариации для магния выше, чем для кальция, и лежат в пределах 11,3-49,2% (рис. 9). Содержание обменного натрия - 0,38-5,21 мг-экв/100г; коэффициент вариации изменяется от 21,1 до 92,0%. Содержание и коэффициенты вариации для натрия максимальны для участков Ст-1 и СТ-2.

О Среднее ГТ1 Среднее40.95 Дов. интервал _2 X Средиее11.96-Ст отхл.

" Среднее I I Средмее»0,95 Див. ишервал ПИ Среднем 1.96'С1.оти1.

В) Г)

Рис. 9. Диаграммы размаха обменных оснований: а) кальция; б) магния; в) натрия; г) Нг На рис. 10 и рис. 11 представлены картосхемы пространственного распределен!-обменного кальция и магния на мониторинговых участках.

а) б) в)

Рис. 11. Картосхемы распределения магния в черноземах Каменной Степи в слое 0-20 см, ммоль(экв)/100 г: а) ОУ-1, б) МУ-2, в) СТ-1 16

а) б) в)

Рис. 10. Картосхемы распределения кальция в черноземах Каменной Степи в слое 0-20 см, ммоль(экв)/100 г: а) МУ-1, б) ОУ-1, в) СТ-2

Дополнительное поверхностное и фунтовое увлажнение оказывает существенное лияние на состав обменных оснований. На рис. 12 представлены графики профильного определения обменного кальция и магния на примере бывшего орошаемого участка. Из эафиков видно, что вниз по профилю происходит уменьшение доли кальция в составе ТПК. Увеличение содержания поглощенного магния в нижних постоянно влажных эризонтах обусловлено тем, что растворимость карбоната магния, содержащегося в составе очвенных карбонатов в 20-30 раз выше растворимости карбоната кальция. Это повышает * эдержание магния в почвенном растворе переувлажненных горизонтов и повышает его удержание в составе ППК. Для бывшего орошаемого участка характерно равномерное . аспределение поглощенного магния (рис. 12-6) в связи с периодическим промывом рофиля почвы орошаемыми водами.

о

10 20 30

40

30

60 10

I 30

100 110 120 130 140 150

Рис. 12. Профильное распределение обменного кальция (а) и магния (б) в черноземах Каменной

Степи

При сравнении средних величин содержания обменных кальция, магния и [ латрия в слое 0-20 см (по I-критерию Стьюдента) получены достоверные отличия этих токазателей на пашнях по сравнению с солонцовым стационаром №2. Для всех тсследуемых пар ключевых участков 1расч. был больше

Реакция среды. По данным Н.Н. Никаноровой (1953), проводившей исследования почв Каменной Степи в рамках экспедиции АН СССР, среднее значение величины рН водной вытяжки в середине прошлого века в почвах Каменной Степи составляло в пахотном слое почвы 6,72, солевой - 6,32. По нашим данным показатели рН водной вытяжки изменяются в среднем от 7,5 до 8,0, т.е. реакция за несколько ! десятилетий изменилась в щелочную сторону (рис. 13). На рис. 14 изображены графики профильного распределения величины рН водной вытяжки. Из графиков видно, что реакция среды изменяется в щелочную сторону вниз по профилю. При сравнении средних величин водного и солевого рН, в слое 0-20 см (по ^критерию Стьюдента) получены достоверные отличия этих показателей на пашнях по

сравнению с солонцовым стационаром №2. Для всех исследуемых пар ключевых участков tpac4. был больше t^.

Рис. 13. Диаграммы размаха pH водной и солевой вытяжек

Рис.14. Профильное распределение рНоод в черноземах Каменной Степи

Четвертая и пятая главы посвящены изучению изменения основных свойств 1 показателей эффективного плодородия черноземов Каменной Степи в зависимости от длительности антропогенной нагрузки.

Влажность почвы. В 2007-2010 гг. проводились исследования по определение влажности почвы в течение вегетационного периода. Анализ экспериментальны;:, данных показывает, что характер увлажненности почвенного профиля исследованны: почв зависел от складывающихся гидротермических условий года. Важног особенностью, которую необходимо отметить, является то, что на водораздел-количество влаги в почве достоверно выше, чем на склоне. Причем данна.: закономерность характерна для всех слоев почвы (табл. 3).

Ключевой участок Срок определения Слой почвы, см

0-10 10-20 20-30 30-40 40-50 0-50

Залежь косимая Май 28,1 26,7 27,8 26,9 25,6 27,0

Август 17,7 17,9 16,9 17,0 16,5 ¡7,2

Распашка!992 г. водораздел Май 29,8 30,0 29,1 28,3 26,7 28,8

август 18,2 1 ¿Г 1 1 19,4 18,3 18 8 1 о п i

Раепашка1952 г. водораздел Май 27,9 27.5 28,2 28.9 27,6 28,1

Август 18,2 17,1 17,6 18,5 19,0 18,1

Распашка1952 г. склон Май 25,9 26,4 26,0 24,3 22,8 25,1

Август 16,7 16,3 18,1 19,0 18,5 17,7

Длительное сельскохозяйственное использование пашни приводит к начительному снижению влагообеспеченности культурных растений. В наших сследованиях мы сравнивали также запасы продуктивной влаги в почвах залежи и межной с ней пашни (табл. 4).

Залежь за период исследований 2007-2010 гг. характеризовалась достоверно ольшим запасом продуктивной влаги верхних слоев (0-20 и 0-50 см), но по большему бщему запасу влаги в метровом слое характеризовалась пашня.

Ключевой участок Срок определения Слой почвы, см

0-20 0-50 0-100

Залежь косимая . Май 31,3 79,2 150,2

Июль 15,1 25,1 51,3

Сентябрь 8,3 17,7 39,0

Распашка 1952 г., водораздел Май 25,9 75,7 146,9

Июль 10,2 34,0 82,9

Сентябрь 1,9 11,5 41,5

Структура почв. Распашка и длительное использование черноземных почв в ігроценозах приводит к изменению их структурного состояния. В наибольшей :тепени они затрагивают верхние слои почвы. Для определения влияния различной інтропогенной нагрузки на черноземы Каменной Степи в 2007-2009 гг. нами был іроведен структурный анализ почв (табл. 5). Данные структурного анализа ¡видетельствуют о значительном содержании агрономически ценных агрегатов, >азмером от 0,25 до 10 мм. Их количество в слое 0-20 см колеблется от 72% на пашне :о сроком распашки с 1952 г. (склон) до 93% на залежи косимой.

Таблица 5. Структурный состав черноземных почв Каменной Степи, 0-20 см

іючевой участок Сумма агрегатов 10-0,25 мм, % Сумма глыбистых агрегатов >10, % Сумма пылеватой фракции<0,25 мм Коэффициент структурности, Кс

2007 2008 2009 2007 2008 2009 2007 2008 2009 2007 2008 2009

лежь косимая 82 г. 93,3 91,0 91,6 5,9 8,0 5,7 0,8 1,0 2,8 14,0 10,1 10,9

спашкаї 992г. здораздел) 73,5 - 81,3 23,2 - 15,5 3,3 - 3,2 2,8 - 4,3

спашкаї 952г. здораздел) 88,3 85,4 89,0 11,1 13,5 8,6 0,7 1,2 2,4 7,5 5,8 8,1

спашкаї 952г. клоп) 75,9 - 71,6 19,3 - 24,1 4,9 - 4,3 3,1 - 2,5

Введение в сельскохозяйственное использование залежных участков приводит к ухудшению почвенной структуры в первые 15 лет после распашки, которое проявляется в увеличении количества глыбистых агрегатов, уменьшении доли фракции агрономически ценных агрегатов, уменьшении коэффициента структурности. При дальнейшей культурной обработке почвы происходит улучшение почвенной структуры (распашка 1952г. — водораздел).

Плотность сложения и плотность твердой фазы почвы. Сравнивав современное состояние плотности почв с данными H.H. Никаноровой (1953), ясн< прослеживается тенденция увеличения ее как на пахотных участках, так и н; целинном аналоге (косимой залежи). Так, в 1953 году в слое почвы 0-20 см на косимо! залежи плотность была 0,94 г/см3. В настоящее время показатель плотности несколью изменился в сторону увеличения и составил 0,97 г/см3. На пашне за указанный перио; изменение плотности характеризуется большими величинами. Если в 1953 г. он; составила 0,98-1,11 г/см3, то в настоящее время повысилась до 1,04-1,17 г/см3 (табл. 6)

Данные по определению плотности сложения на почвах с одинаковым сроков распашки, но расположенных на различных элементах рельефа (водораздел и склон позволяет выделить следующее. На склоновом участке плотность оказалас достоверно выше, чем на водоразделе и составила для слоя 0-20 см 1,17 и 1,15 г/см соответственно (табл. 6).

Введение в сельскохозяйственное использование залежных почв приводит : увеличению плотности твердой фазы почвы с увеличением длительност] использование пашни. Плотность твердой фазы пашни достоверно отличается о значения этого показателя на залежи. Почва пашни, расположенной на склоне, имее наибольшее значение плотности твердой фазы (табл.6).

Вариант Плотность сложения, г/см3 Плотность твердой фазы, г/см

Залежь косимая 1882 г. 0,97 2,43

Распашка 1992 г. 1,04 2,47

Распашка 1952 г. - водораздел 1,15 2,48

Распашка 1952 г. - склон 1,17 2,58

НСР„5 0,02 0,03

Состав обменных оснований. На данный момент содержание обменного кальци залежи равняется 33,2 ммоль(экв) /100 г почвы. Содержание магния В составе 11111 чернозема обыкновенного залежи в 1953 г. составляла 5,5 ммоль(экв) /100 г почвы, н данный момент оно осталось на том же уровне. В черноземе на пашне содержание магния составе ППК в 1953 г. составляло 4,4 ммоль(экв) /100 г почвы, сегодня оно лежит пределах 4,9-8,9 ммоль(экв) /100 г почвы. Практически на всех пахотных аналогах увеличением срока распашки отмечается снижение содержания обменного кальция увеличение содержания обменного магния по сравнению с залежью, а также сужени отношения обменного кальция к магнию (табл. 7).

Таблица 7. Состав обменных оснований почв Каменной Степи (2007-2009 гг.) в слое 0-20 см

Вариант Моль(экв)/100 г почвы Отношение

Ca MiT Ca^+Mg^ Ca2VMg2+

'Залежь косимая 1882 г. 33,2 5,5 38,7 6,2

Распашка 1992 г. (водораздел) 29,7 8,9 38,6 3,3

Распашка 1952 г. (водораздел) 27,8 4,9 32 7 5,7

Распашка 1952 г. (склон) 26,1 ■ 8,7 . .34,8 3,0

Реакция среды почв Каменной Степи. Рассматривая современные показател: кислотности почв, отмечаем что, почвы, занятые естественной растительностьк

меют значения рН близкие к 7. Так по нашим данным значения водного рН в почве эсимой залежи составили величины порядка 6,85 (на глубине 0-30 см).

Вариант Глубина, см РНвод.

Залежь косимая 1882 г. 0-30 6,85

Распашка 1992 г. (водораздел) 0-30 7,13

Распашка 1952 г. (водораздел) 0-30 7,31

Распашка 1952 г. (склон) 0-30 6,83

На пахотных почвах водораздела реакции среды черноземных почв изменялась в лабощелочную сторону и составила 7,13-7,31 единиц (табл. 8), почвы склона и алежи характеризуются нейтральной реакцией среды.

Некоторые показатели гумусного состояния почв Каменной Степи. С величением длительности антропогенного воздействия содержание гумуса остоверно уменьшается по сравнению с залежью (табл. 9). Пашни с одинаковым роком распашки, но расположенные на различных элементах рельефа также ;остоверно различается по содержанию гумуса. Длительное сельскохозяйственное [спользование пашни сопровождается изменением состава гумуса в исследуемых ючвах. Так, отношение СпоСфк на пашне в первые 15 лет после распашки 'меньшилось по сравнению с залежью. При последующем антропогенном юздействии происходит некоторое увеличение этого отношения. Содержание [егидролизуемого остатка увеличивается после распашки, но в последующий орокалетний период снова уменьшается. Степень гумификации в первые 15 лет после >аспашки снижается, но при дальнейшем использовании пашни степень гумификации (остигает значений на залежи (табл. 9). Таким образом, изменяется не только ;оличество гумуса на пашне по сравнению с залежным аналогом, но и его :ачественный состав.

Таблица 9. Качественный состав гумуса в почвах Каменной Степи в зависимости от длительности

сельскохозяйственного использования в 2008-2009 гг., %

Варианты Глубина, Гумус,% Сгк : Сфк Снегид..ост., Степень гум. Снег, ост./

см % орг. в-ва, % Собщ., %

Залежь косимая 0-20 9,95 2,6 3,20 32,0 55,5

1882 г. 20-30 9,60 3,1 3,01 34,6 54,1

Распашка 1992 г. 0-20 8,20 2,1 3,00 24,8 63.1

(водораздел) 20-30 8,77 1,8 3,28 22,6 64,5

Распашка 1952 г. 0-20 6,90 3,2 2,19 34,6 54,7

(водораздел) 20-30 6,62 5,0 2,21 35,3 57,6

Распашка 1952 г. 0-20 5,75 2,9 1,86 33,0 55,7

(склон) 20-30 5,38 2,5 1,67 33,3 53,5

Показатели эффективного плодородия. Распашка залежных почв приводит к заметному изменению содержания питательных веществ по мере увеличения длительности антропогенной нагрузки. Так, введение в сельскохозяйственное использование залежных почв приводит в первые 15 лег после распашки к увеличению запасов нитратного азота. Дальнейшее использование пашни в течение периодов, превышающих 50 лет, приводит к постепенному уменьшению количества

нитратного азота в почве. Особенно это касается участков пашни, расположенных н; склоне (табл. 10). Уменьшение нитратного азота связано с выносом его вместе I урожаем.

Угодье Срок опред. Слой почвы, см

0-10 | 10-20 | 20-30 0-10 ] 10-20 |20-30 0-10 [ 10-20 | 20-30

N-N03, мг/кг Р205, мг/100г К20, мг/100 г

Залежь косимая Май 8,5 7,5 6,4 3,6 3,6 3,6 14,3 6,8 4,0

Июль 12,8 9,8 6,3 3,3 3,5 3,9 10,2 7,6 7,0

Распашка 1992 г., водораздел Май 19,1 20,3 19,2 8,9 8,4 7,9 10,9 8,9 5,2

Июль 28,3 32,0 32,9 8,5 8,4 8,1 11,8 12,0 9,8

Распашка 1952 г., водораздел Май 15,9 16,5 15,8 15,5 15,7 14,1 20,7 18,1 10,9

Июль 21,1 21,0 18,7 15;о 14,2 12,5 17,6 17,0 11,6

Распашка 1952 г., склон Май 12,0 14,4 12,5 7,7 7,3 5,6 11,2 8,9 4,3

Июль 27,4 23,2 17,6 8,1 7,0 5,4 12,2 9,3 6,1

: В результате наших исследований было установлено, что с увеличение? длительности использования пашни происходит увеличение содержания подвижноп фосфора и обменного калия в почве. Это накопление связано с постоянным внесение* калийных и фосфорных удобрений. Пашни с одинаковым сроком распашки, ні расположенные на различных элементах ландшафта, также различается по количеств; обменного калия и подвижного фосфора. На склоне содержание данных подвижны: элементов достоверно ниже содержания их на водоразделе в связи с выносом, эти: элементов со склона по действием водной и ветровой эрозии (табл. 10).

Урожайность кукурузы. Уровень эффективного плодородия той или иної почвы определяется, прежде всего, урожайностью возделываемы: сельскохозяйственных культур и во многом зависит от свойств почвы.

В 2007-2010 гг. нами проводились исследования по оценке продуктивності разновозрастных пашен при возделывании зерновых культур. На пашня: возделывалась кукуруза на зерно бессменно в двух вариантах: без удобрений, внесением удобрений (МРК)60. Уборка урожая проводилась вручную на делянках по м2 в 6-кратной повторности (табл. 11).

Таблица 11. Урожайность зерна кукурузы 2007-2010 гг. (ц/га, 14%-ая влажность)

2007г. 2008 г. 2009 г. 2010 г.

Объект исследования 1 1 2 1 2 1 2

Пашня 1992 г. (водораздел) 59,9 51,6 54,3 72,5 81,2 5,2 8,7

Пашня 1952 г. (водораздел) 52,9 44,8 49,9 66,8 83,3 7,6 5,5

Пашня 1952 г. (склон) 44,8 39,5 39,1 55,9 74,7 0 0

' НСР05 2,5 4,4 3,6 - 3.2 . . 4.3 . 3,6, 3,8

Примечание. 1 - без удобрений (данные Дорохина И.Н.), 2 - (ЫРК)бо (данные Беспалова В.А.)

Продуктивность зерна растений кукурузы достоверно убывала по мер снижения содержания гумуса, влаги в почве от пашни 1992 г. на водоразделе до пашни 1952 г. на склоне. Следует отметить засушливые условия 2010 г., в результат которых была получена очень низкая урожайность на всех вариантах опыта (рис. 11).

выводы

1. Почвенный покров агроландшафтов Каменной Степи представлен южными сочетаниями, пятнистостями и комплексами обыкновенных, ыщелоченных, типичных и зоогенно-перерытых черноземов разной мощности и гепени выщелоченности, которые характеризуются значительным внутрипольным арьированием основных морфометрических параметров. Почвы Каменной Степи аиболее заметно различаются по глубине появления сплошной пропитки арбонатами кальция (глубина вскипания изменяется от 5 до 147 см). Варьирование гого показателя обусловлено формой рельефа, роющей деятельностью животных, розионными процессами и сезонным изменением уровня грунтовых вод.

2. Черноземы исследованных участков Каменной Степи характеризуются етко выраженным пространственным варьированием изученных показателей очвенного плодородия и различием их профильного распределения. Коэффициент ариации содержания гумуса составляет 4-11%, обменного кальция - 10-30%, бменного магния - 20-50%, обменного натрия - 20-90%, гидролитической ислотности - 50-100%.

3. Для всех черноземных почв Каменной Степи характерен более или менее динаковый диапазон мощности гумусового горизонта (Апах+А) и гумусового слоя в ;елом (Апах+А+АВ). Преобладают среднемощные виды (40-80 см). Накопление умуса до глубины 25-30 см идет равномерно, ниже (40-100 см) - по равномерно-ккумулятивному типу и с глубины 100-110 см - по регрессивно-аккумулятивному-

4. В почвенном поглощающем комплексе черноземов Каменной Степи в юследние десятилетия отмечается изменение состава обменных оснований -нижение содержания поглощенного кальция до 26-32 ммоль(экв)100 г и увеличение одержания поглощенных магния до 9 ммоль(экв)/100 г и натрия до 0,7 1моль(экв)/100 г, а также сужение соотношения кальция к магнию по сравнению с :осимой залежью с 6 до 3.

5. На почвах водораздела Каменной Степи в последние десятилетия реакция :реды часто изменяется в слабощелочную сторону, почвы склона и залежи характеризуются нейтральной реакцией среды. Вниз по профилю реакция среды вменяется в щелочную сторону на всех объектах исследования.

6. Введение в сельскохозяйственное использование залежных участков фиводит к ухудшению почвенной структуры в первые 15 лет после распашки количество глыбистых агрегатов увеличивается с 6 до 23%, доля фракции ирономически ценных агрегатов уменьшается с 93 до 74%, коэффициент ¡труктурности убывает с 14 до 3%). При дальнейшей сорокалетней культурной обработке почвы происходит улучшение почвенной структуры. С увеличением длительности использования пашни происходит увеличение плотности сложения и плотности твердой фазы черноземных почв до 1,2 и 2,6 г/см3 соответственно.

7. Длительное антропогенное воздействие на черноземы Каменной Степи сопровождается изменением качественного состава гумуса. В первые 15 лет отношение Сга:СфК уменьшилось с 3 до 2 по сравнению с залежью. При последующем антропогенном воздействии происходит некоторое увеличение этого отношения до 35. Содержание негидролизуемого остатка увеличивается после распашки с 56 до 63%,

но в последующий сорокалетний период "снова уменьшается до 55%. Степен гумификации в первые 15 лет после распашки снижается, но при дальнейше] использовании пашни степень гумификации достигает значений на залежи.

8. Введение в сельскохозяйственное использование залежных почв приводит первые 15 лет после распашки к увеличению запасов нитратного азота. Дальнейше использование пашни приводит к постепенному уменьшению содержания нитратног азота в почве. С увеличением длительности использования пашни происходи увеличение содержания подвижного фосфора и обменного калия в почве. 1 зависимости от ландшафтной принадлежности черноземные почвы Каменной Степ отличаются по содержанию подвижных форм элементов минерального питания и п урожайности сельскохозяйственных культур (урожайность зерна кукурузы достоверн убывает от пашни 1992 г. на водоразделе до пашни 1952 г. на склоне).

Список работ, опубликованных по теме диссертации

1. Беспалов В.А., Киценко В.П. Варьирование морфологических свойст черноземных почв // Актуальные проблемы повышения эффективност агропромышленного комплекса / Матер. Междунар. научно-практ. конф. — Kypci 2008.-С. 305-307.

2. Чевердин Ю.И., Беспалов В.А., Киценко В.П. Состав обменных основани почв разновозрастных пашен // Энтузиасты аграрной науки: Труды КубГАУ Краснодар, 2008. - Вып.7. - С. 182-185.

3. Беспалов В.А., Чевердин Ю.И. Зависимость количества гумуса от размер фракции черноземных почв Каменной Степи // Материалы заседани Территориального координационного совета «Проблемы земледелия ЦЧЗ». Каменная Степь 29 мая 2009 г, ч.1. Земледелие, агропочвоведение, агрохими: растениеводство. - Воронеж, «Истоки», 2009. — С. 107-108.

4. Беспалов В.А. Пространственное варьирование основных показателе почвенного плодородия черноземов Каменной Степи // Отражение био-, reo антропосферных взаимодействий в почвах и почвенном покрове: Сборник материале IV Всероссийской научной конференции с международным участием. - Томск: TMI Пресс, 2010,- Т 1,- С. 24-27.

5. Чевердин Ю.И., Беспалов В.А. Различия в пространственно распределении содержания гумуса в черноземах Каменной Степи // Матер. Всероо научно-практ. конф. и засед. совета по земледелию ЦЧЗ Отделения земледели Россельхозакадемии- Воронеж: изд. «Истоки», 2011. - С. 263-267.

6. Чевердин Ю.И., Беспалов В.А., Воронин Д.А. и Д1 Агролесомелиоративный комплекс как фактор изменения водно-солевы характеристик черноземов // Матер. Всеросс. научно-практ. конф. и засед. совета п земледелию ЦЧЗ Отделения земледелия Россельхозакадемии. — Воронеж: т) «Истоки», 2011. - С. 299-303.

7. Чевердин Ю.И., Беспалов В.А. Пространственное варьировани содержания гумуса в черноземах Каменной Степи//Плодородие, 2011—№ 4. - С. 28-2S

8. Зборищук Ю.Н., Беспалов В.А. Структура почвенного покрова Каменно степи // Вестник МГУ. Серия 17. Почвоведение. - 2011. - №4. - С. 12-16.

Отпечатано в когшцентре « СТ ПРИНТ » Москва, Ленинские горы, МГУ, 1 Гуманитарный корпус, e-mail: globus9393338@yandex.ni тел.: 939-33-38 Тираж 100 экз. Подписано в печать 10.04.2012 г.

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата биологических наук, Беспалов, Владимир Алексеевич, Каменная степь

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ НАУК

ГОСУДАРСТВЕННОЕ НАУЧНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВОРОНЕЖСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА ИМЕНИ В.В. ДОКУЧАЕВА

На правах рукописи

БЕСПАЛОВ ВЛАДИМИР АЛЕКСЕЕВИЧ

ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННОЕ ВАРЬИРОВАНИЕ ОСНОВНЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ПЛОДОРОДИЯ ЧЕРНОЗЕМОВ КАМЕННОЙ СТЕПИ

Специальность 03.02.13 — почвоведение

Диссертация на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Научный руководитель: доктор биологических наук, Ю.И. Чевердин

Каменная Степь - 2012

СОДЕРЖАНИЕ с.

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

ГЛАВА I ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ......................................................................................9

1.1 Основные показатели плодородия черноземных почв..................9

1.2 Изменение показателей почвенного плодородия под влиянием антропогенного воздействия......................................................................................................................21

1.3 Внутрипольное варьирование плодородия черноземов..................27

Глава II ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ....................................37

2.1 Характеристика почвенно-климатических условий Центрально

- Черноземной зоны.......................... ................................................................37

2.2 Природно-географические условия территории Каменной Степи......................................................................................................................................................................39

2.3 Метеорологические условия Каменной Степи в годы проведения исследований (2007-2010 гг.)......................................................................................44

2.4 Объекты исследований........................................................................................................51

2.5 Методы проведения исследований..........................................................................55

ГЛАВА III ПРОСТРАНСТВЕННОЕ ВАРЬИРОВАНИЕ ОСНОВНЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ЧЕРНОЗЕМОВ КАМЕННОЙ СТЕПИ ... 57

3.1 Морфометрические характеристики черноземов с учетом особенностей структуры почвенного покрова Каменной Степи..................57

3.2 Содержание гумуса и его групповой состав..................................................71

3.3 Состав обменных оснований........................................................................................79

3.4 Реакция среды............................................................................................................................90

ГЛАВА IV ИЗМЕНЕНИЕ СВОЙСТВ ЧЕРНОЗЕМОВ КАМЕННОЙ СТЕПИ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ДЛИТЕЛЬНОСТИ АНТРОПОГЕННОЙ НАГРУЗКИ........................................................................................................101

4.1 Агрофизические свойства черноземов................................................................101

4.1.1 Влажность почвы................................................................................................................101

4.1.2 Структура почвы..................................................................................................................109

4.1.3 Плотность сложения и плотность твердой фазы почвы..................113

4.2 Физико-химические свойства черноземов......................................................116

4.2.1 Состав обменных оснований....................................................................................116

4.2.2 Реакция среды........................................................................................................................118

4.3 Некоторые показатели гумусного состояния черноземов..................120

ГЛАВА V ПОКАЗАТЕЛИ ЭФФЕКТИВНОГО ПЛОДОРОДИЯ ЧЕРНОЗЕМНЫХ ПОЧВ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ДЛИТЕЛЬНОСТИ АНТРОПОГЕННОЙ НАГРУЗКИ......................................................................123

5.1 Содержание нитратного азота......................................................................................123

5.2 Обеспеченность подвижным фосфором..............................................................127

5.3 Обменный калий........................................................................................................................130

5.4 Урожайность кукурузы......................................................................................................132

ВЫВОДЫ..................................................................................................................................................135

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ................................................138

ПРИЛОЖЕНИЕ....................................................................................................................................172

ВВЕДЕНИЕ

Одной из актуальных задач, которая занимала одно из центральных мест на протяжении всей истории развития человечества, является сохранение и повышение плодородия почв. Главной особенностью современного развития почв является многостороннее и многогранное антропогенное воздействие на почвообразовательный процесс.

Особенно остро эта проблема стоит в Центрально-Черноземной зоне с длительным периодом антропогенного воздействия и высокой распаханно-стью территории. Почвы подвержены периодическим стрессовым антропогенным и природным нагрузкам. Не является исключением и Каменная Степь, где почвы подвержены нагрузкам уже более ста лет. С момента начала проведения исследований в Каменной Степи (1892 г.) они подвергались воздействию часто повторяющихся засух. В последние десятилетие значительный ущерб почвенному покрову наносится вследствие нерационального ведения хозяйства, нарушения земледельческих технологий, связанных с изменившейся экономической ситуацией в стране и ухудшением экологических условий. Многие вопросы повышения и сохранения плодородия, и в частности старопахотных черноземных почв, недостаточно разработаны.

В связи с тем, что в последнее время отмечается значительное сокращение количества мониторинговых исследований, снижение их качества и уменьшения количества получаемой информации, возросла актуальность и необходимость проведения детальных наблюдений за изменением свойств черноземных почв. В первую очередь это необходимо для планирования мероприятий, способствующих повышению и сохранению исходно высокого потенциала почвенного плодородия черноземов, и составления длительных долгосрочных прогнозов.

Основная проблема, которая беспокоит научную общественность - будущее Докучаевского оазиса и пути трансформации черноземов Каменной Степи в результате глобального изменения климата, возрастающей антропогенной нагрузки на ландшафты этой заповедной территории и из-за прояв-

4

ляющихся, пока довольно ограничено и локально, признаков гидроморфно-сти черноземов (Зборищук и др., 2007).

На решение целого ряда проблем, связанных с разработкой комплексной характеристикой черноземных почв Каменной Степи, испытывающих на себе различную степень и интенсивность антропогенной нагрузки и была направлена наша работа.

В течение 2007-2009 гг. нами проводились совместные исследования с Почвенным институтом им. В.В. Докучаева в рамках задания по оценке современных процессов деградации почв и почвенного покрова Каменной Степи. Программа работ обсуждена и одобрена на заседании бюро Отделения земледелия Россельхозакадемии 25 октября 2005 г. Часть проводимых исследований была поддержана грандом РФФИ в виде отдельного проекта №08-04-01195 а «Постагрогенная регенерация и эволюция почв черноземной зоны».

Цель исследований

Изучить пространственно-временную динамику изменения основных агрохимических и агрофизических показателей почвенного плодородия черноземов Каменной Степи при различных антропогенных воздействиях.

Задачи исследования

1. Создать сеть среднесрочных и долгосрочных мониторинговых площадок для изучения изменения свойств почв во времени и провести оценку современного состояния почвенного плодородия черноземов.

2. Изучить особенности профильного изменения основных показателей почвенного плодородия и оценить степень варьирования этих показателей в пространстве и во времени.

3. На основе полученного материала построить картосхемы распределения основных показателей плодородия черноземов на изучаемых площадках.

4. Рассчитать некоторые статистические характеристики распределения основных показателей почвенного плодородия черноземов.

5. Определить зависимость основных физических, физико-химических и химических свойств и изменение показателей плодородия черноземов при различной длительности антропогенного воздействия, и их взаимосвязь с урожайностью сельскохозяйственных культур в краткосрочном опыте.

Научная новизна работы. Впервые в Каменной Степи будут установлены особенности современного состояния и формирования агрохимических и физико-химических свойств чернозёмных почв на основе длительно функционирующих мониторинговых площадок. Результаты исследований углубили и расширили существующие представления о временной динамике органического вещества и других показателей плодородия черноземов Каменной Степи при различной длительности антропогенных воздействиях с учетом особенностей их пространственного распределения. В результате комплексных исследований на основе системного подхода дана всесторонняя характеристика гумусного, агрохимического и агрофизического состояния чернозёмных почв.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Почвенный покров агроландшафтов Каменной Степи представлен сложными сочетаниями, пятнистостями и комплексами обыкновенных, выщелоченных, типичных и перерытых черноземов разной мощности и степени выщелоченности, которые характеризуются значительным внутрипольным варьированием основных морфометрических параметров.

2. Черноземы Каменной Степи характеризуются значительным пространственно-временным варьированием и различием профильного распределения некоторых основных показателей почвенного плодородия: содержания гумуса и его состава, обменных оснований, показателей кислотности.

3. Вовлечение в сельскохозяйственное производство степных (залежных) угодий приводит к значительному изменению количественных и качественных составляющих физических, физико-химических и химических свойств черноземных почв.

Практическая значимость работы. Установленные закономерности варьирования свойств почв могут быть использованы при разработке адаптивно-ландшафтных систем земледелия. Полученные материалы лягут в основу составления базы данных и разработки геоинформационной системы для почв Каменной Степи с перспективой применения точечного земледелия.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы повышения эффективности агропромышленного комплекса» (Курск, 2008), на Всероссийской конференции «Энтузиасты аграрной науки» (Краснодар, 2008), на заседаниях Территориального координационного совета «Проблемы земледелия ЦЧЗ» (Каменная Степь, 2009, 2011), на IV Всероссийской конференции с международным участием (Томск, 2010), на Ученом совете ГНУ Воронежского НИИСХ им. В.В. Докучаева Россельхозакадемии.

Личный вклад соискателя. Работа выполнена в отделе агропочвове-дения ГНУ Воронежского НИИСХ имени В.В. Докучаева Россельхозакадемии в 2007-2010 гг. Автору принадлежит постановка целей и задач исследований, проведение полевых и частично аналитических работ, статистическая обработка экспериментальных данных, систематизация, теоретическое обобщение, интерпретация полученных данных, формулировка выводов и предложений.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 8 работ, в том числе 3 работы — в рецензируемых изданиях, определенных Высшей аттестационной комиссией РФ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, выводов, списка использованной литературы и приложений. Содержит 171 страницу машинописного текста, включает 19 таблиц, 31 рисунок, 24 таблицы приложения и описание почвенных разрезов. В список использованной литературы внесен 331 источник, в том числе 10 иностранных авторов.

Благодарности. Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю диссертационной работы д. б. н. Чевердину Ю.И., к. б. н. Збо-ришук Ю.Н. за полезные советы при написании диссертации, всему коллективу отдела агропочвоведения за помощь в проведении анализов.

ГЛАВАI (Обзор литературы) 1.1 Основные показатели плодородия черноземных почв

Как отмечает выдающийся русский почвовед В.А. Ковда (1983), «идеи и понятия, терминология, приемы, техника и методы полевых описаний почв, способы интерпретации полученных данных, обобщения, полученные В.В. Докучаевым при изучении русского чернозема, его концепция факторов почвообразования и зональности природных условий открыли новый этап в познании почв мира, стали основой современного почвоведения и базой рационального земледелия».

«В период демократических перемен в стране, когда идет ломка многих традиционных представлений в области истории, идеологии, экономики, науки и образования, особенно важно сохранить и укрепить истоки нашей нравственности, культуры, наше бережное отношение к ценнейшим реликвиям русского народа, в том числе и к главному национальному богатству -черноземам» («Антропогенная эволюция черноземов», 2000).

Черноземами называются богатые темноокрашенным гумусом почвы, не имеющие признаков современного переувлажнения, сформировавшиеся в плакорных условиях под многолетней травянистой растительностью степей и лесостепей континентального суббореального пояса («Классификация и диагностика почв СССР», 1977).

Одним из интегральных показателей плодородия почвы является ее органическое вещество, до 95-98% которого составляет гумус, определяющий физико-химические свойства черноземов (водопроницаемость, поглотительная способность, влагоемкость, количество доступных питательных веществ для растений и т.д.).

Гумус - один из основных компонентов педосферы, с которым связаны жизнедеятельность растений, микроорганизмов и животных, экологические функции почв в биосфере, сохранение их плодородия, устойчивость биоце-

ноза в целом. Это обуславливает центральное положение проблемы гумуса и гумусообразования в ряду проблем науки о почве.

Гумусообразование является важнейшей составляющей почвообразовательного процесса, его высшей, завершающей стадией. Оно тесно связано с условиями почвообразования. Все известные факторы почвообразования участвуют в создании той специфической среды, в которой формируется гу-мусное состояние почв (Русанов, 1999).

В.В. Докучаев придавал большое значение гумусу как компоненту, исключительно важному для генетической диагностики почв и как источнику плодородия. Широко известна классификация черноземов В.В. Докучаева по содержанию гумуса в верхнем горизонте и карта изогумусовых полос («Русский чернозем - 100 лет после Докучаева», 1983). На современном этапе развития почвоведения внимание к гумусу возрастает, так как он играет первостепенную роль в формировании многих свойств и режимов почв, и вряд ли его функции можно заменить другими средствами, по крайней мере в обозримом будущем (Егоров, 1981). В черноземах гумусообразование и гумусо-накопление достигают максимальной интенсивности. Однако в связи с интенсивным сельскохозяйственным использованием в этих почвах заметно ухудшились качественно-количественные показатели гумуса (Русанов, 1999).

Агрономическая ценность гумуса в значительной степени определяется соотношением содержащихся в нем гуминовых кислот и фульвокислот. Преимущественный синтез гуминовых кислот благоприятно влияет на показатели почвенного плодородия, вместе с тем фульфатный гумус обедняется щелочными катионами, нарушается структура почвы (Берестецкий и др., 1984).

Гумус, имея в своем составе от 80 до 90% азота от всего запаса его в почве, вместе с азотфиксирующими микроорганизмами является основным естественным источником макроэлемента для растений. При этом необходимо иметь в виду, что проблема азотного баланса почв и азотного питания растений - одна из центральных в почвоведении и агрохимии (Бабьева, Зено-ва, 1989). Аккумулированные в гумусе биовещества в процессе минерализа-

10

ции также непрерывно образуют углекислый газ, органические соединения, которые необходимы для роста и развития растений и микроорганизмов. То есть потенциал почвенного плодородия определяется интенсивностью и направленностью биохимической деятельности микроорганизмов. При этом ведущая роль принадлежит синтезу и минерализации гумуса, количество которого зависит от поступления органического вещества в почву (Орлов, 1990; Орлов и др., 2004).

Исследования многих авторов (Кононова, 1951; 1953; Гринченко, 1979; Ковда, 1981 и др.) показали, что если в почве процесс гумификации (новообразование гумуса) отстает от процесса минерализации гумуса, потери его в пахотных почвах происходят во всех почвенно-климатических зонах. Уменьшение содержания гумуса при сельскохозяйственном использовании черноземов связано с уменьшением поступления в почву органического материала, а не с усилением минерализации гумуса (Уваров, 1997).

Черноземная зона очень интенсивно освоена. В почвах, не тронутых пахотой, на поверхности наблюдается накопление органических остатков в виде своеобразного "степного войлока", что отчетливо проявляется и на заповедных участках Каменной Степи (Зборищук и др., 2007).

Генетический профиль черноземов (в обобщенном "типоморфном" виде) характеризуется ясно выраженной верхней толщей (той или инои мощности) с накоплениями гумуса, обменных оснований и биогенных доступных элементов, глубже которой находится карбонатно-иллювиальная (или карбонатн