Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему

Трансформация органического вещества низинных торфяных и выработанных почв в условиях Южной тайги Евро-Северо-Востока России

ВАК РФ 06.01.03, Агропочвоведение и агрофизика

Автореферат диссертации по теме "Трансформация органического вещества низинных торфяных и выработанных почв в условиях Южной тайги Евро-Северо-Востока России"

На правах рукописи

СМИРНОВА АННА ВЛАДИМИРОВНА

ТРАНСФОРМАЦИЯ ОРГАНИЧЕСКОГО ВЕЩЕСТВА НИЗИННЫХ ТОРФЯНЫХ И ВЫРАБОТАННЫХ ПОЧВ В УСЛОВИЯХ ЮЖНОЙ ТАЙГИ ЕВРО-СЕВЕРО-ВОСТОКА РОССИИ

Специальность: 06.01.03 - агрофизика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата сельскохозяйственных наук

2 9АПР 2015

Киров-2015

005568026

Работа выполнена на кафедре экологии и зоологии в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Вятская государственная сельскохозяйственная академия» Министерства сельского хозяйства Российской Федерации

Научный руководитель:

доктор сельскохозяйственных наук, профессор кафедры экологии и зоологии ФГБОУ ВПО «Вятская государственная сельскохозяйственная академия» Уланов Анатолий Николаевич

Официальные оппоненты:

Царенко Василий Павлович

доктор сельскохозяйственных наук, профессор кафедры почвоведения и агрохимии ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный аграрный университет»

Орлова Ольга Владимировна

доктор биологических наук, ведущий научный сотрудник ФГБНУ Всероссийский научно-исследовательский институт сельскохозяйственной Микробиологии

Ведущая организация:

Федеральное государственное бюджетное научное учреждение «Зональный научно-исследовательский институт сельского хозяйства северо-востока имени Н.В. Рудницкого»

Защита диссертации состоится « Ш» июня 2015 года в 15 часов 00 минут на заседании диссертационного совета Д 006.001.01 при федеральном государственном бюджетном научном учреждении «Агрофизический научно-исследовательский институт» по адресу:195220, Санкт-Петербург, Гражданский проспект, д. 14. Тел. +7 (812) 534-13-24, факс +7(812) 534-19-00, e-mail: office@agrophys.ru.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Агрофизического научно-исследовательского института и на сайте http://www.agrophvs.Ri. с авторефератом - на сайте http://vak.ed.gov.ш и http://www.agrophvs.ru.

Автореферат разослан «-?/ » ОПре^Я, 2015 г.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью, просим направлять по адресу: 195220, Санкт-Петербург, Гражданский пр., д. 14, ФГБНУ АФИ.

Учёный секретарь

диссертационного совета Д 006.001.01 доктор биологических наук

Е.В. Канащ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Среди большого разнообразия почв, находящихся в сельскохозяйственном обороте, особое место занимают торфяные и заболоченные почвы. Высокое содержание органического вещества (8590%) обеспечивает большой потенциал плодородия этих почв, способность к высокой и стабильной продуктивности. Однако хозяйственное использование торфяных почв неизбежно приводит к сработке органогенного слоя. Потери органического вещества торфяной почвы практически невосполнимы, поэтому хозяйственная деятельность должна предусматривать сохранение этих почв как целостных природных систем с поиском путей наиболее рационального, дозированного, экологически безопасного и экономически выгодного использования органического вещества торфяной почвы (Александрова JI.H., 1980, Ефимов В.Н., Лунина Н.Ф., 1986, Вертоградская И.А., Глубоковских А.Л., 1993, Бамбалов H.H., 2000, Уланов А.Н., 2005).

Цель исследований: на основе комплексной оценки структуры и динамики состояния органического вещества целинных, старопахотных и выработанных торфяных почв установить основные направления почвозащитного земледелия на этих объектах.

Задачи исследований:

1. Изучить изменения физических, водно-физических и агрохимических свойств торфяной почвы при длительном сельскохозяйственном использовании.

2. Определить ботанический состав, степень разложения торфа на исследуемых объектах.

3. Исследовать динамику минерализации различных видов сидеральных культур и растений-торфообразователей.

4. Выявить особенности изменений состава органического вещества в целинных, старопахотных и выработанных торфяных почвах.

5. Установить параметры количественных изменений запасов торфа и рассчитать основные элементы баланса органического вещества.

Научная новизна. На основе комплексного исследования качественных и количественных изменений органического вещества торфяных почв определены возможности максимального продления сроков использования торфяной залежи в качестве почвы в условиях южной тайги Северо-Востока Европейской части России, усовершенствована методика составления рабочих карт-схем запасов торфа на стационарных и производственных участках.

Выявлены изменения фракционного состава органического вещества на осушенных торфомассивах и на освоенной низинной торфяной почве, используемой бессменно в течение 35 - 75 лет для возделывания различных сельскохозяйственных культур.

Определена скорость разложения растительных остатков сельскохозяйственных культур в торфяной почве и основных видов растений-торфообразователей в различных условиях.

Рассчитаны основные элементы баланса органического вещества торфа в условиях длительного бессменного сельскохозяйственного использования.

Практическая и теоретическая значимость. Результаты исследования могут быть рекомендованы для разработки долгосрочной почвозащитной, средообразующей системы земледелия на низинных торфяных и выработанных почвах, позволяющей максимально снизить темпы сработки органогенного слоя. На основе представленных данных возможно осуществление уточняющих прогнозов в отношении длительности эксплуатации низинных торфяных почв в сельском хозяйстве.

Существенно расширены теоретические представления о начальной стадии современных торфообразовательных и торфонакопительных процессов при вторичном заболачивании выработанных торфяников.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Скорость минерализации потенциальных растений-торфообразователей в зависимости от места, условий аэрации и времени погребения фитомассы.

2. Изменение структуры углеродного комплекса вследствие длительного бессменного возделывания различных сельскохозяйственных культур.

3. Различия степени трансформации органического вещества низкоразложившихся торфов моховой, травянистой группы и хорошо разложившихся древесных торфов.

4. Физическая сработка органогенного слоя на осушенных низинных торфяных и выработанных торфяных почвах в зависимости от режима использования.

5. Обеспечение положительного баланса органического вещества при условии максимального доминирования в структуре севооборота многолетних трав.

Реализация результатов исследований. По результатам исследований, составляющих основу диссертации, опубликовано 20 научных работ, в том числе 12 статей - в материалах международных конференций, 3 - в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК.

Апробация работы. Основные положения диссертации ежегодно докладывались на кафедре экологии и зоологии в Вятской ГСХА (20092013), на международных научно-практических конференциях в Кирове (2003, 2008, 2013), в Ярославле (2010), ВГСХА (2009-2013), на научной конференции профессорско-преподавательского состава Санкт-

Петербургского государственного аграрного университета (2012), на ученых советах Кировской лугоболотной опытной станции (2009-2014).

Структура и объем. Диссертационная работа изложена на 196 страницах, состоит из общей характеристики работы, 5 глав, выводов, предложений производству, содержит 27 таблиц, 23 рисунка, 13 приложений. Список литературы включает 208 источников, в том числе 11 зарубежных.

УСЛОВИЯ И МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ

В качестве основного объекта исследований выбран типичный для южной тайги Евро-Северо-Востока России низинный торфомассив «Гадовское» (3,0 тыс. га). На этой территории проведены опыты и наблюдения на 10 вариантах, включающих целинный участок под лесом; участки, используемые в кормопроизводстве под долголетним культурным пастбищем и в системе кормовых севооборотов с различной степенью осушения; выработанные участки торфомассива, занятые искусственными лесопосадками и посевами многолетних трав. Одновременно проводились отдельные наблюдения на торфомассивах «Пищальское» (18,6 тыс. га) и «Зенгинское» (6,5 тыс. га).

Метеорологические условия в годы проведения исследований были различными: 2009 год - умеренно теплый и умеренно влажный, в пределах среднемноголетних показателей; 2010 год - с аномально жарким и засушливым вегетационным периодом (ГТК 0,8 при среднемноголетнем 1,6); 2011 и 2012 годы - теплые и избыточно влажные с ГТК 1,8; 2013 год — умеренно теплый и влажный, ГТК 1,5.

На изучаемых объектах сделаны почвенные разрезы и послойно по генетическим горизонтам отобраны образцы почвы. Все анализы проводились в трехкратной повторности. Состав органических веществ определялся по схеме, предложенной В.Н. Ефимовым и М.Г. Васильковой (1970), с применением методов: Анстета в модификации Пономаревой-Николаевой (1980), И.В. Тюрина, Кьельдаля (1980). Трансформация растительных остатков сидеральных культур и растений-торфообразователей изучались в различных условиях по методу частично изолированных проб H.H. Бамбалова (1984). Биологическая активность почв (постановка льняных полотен) - по методике Мишустина, Петровой (1961); определение интенсивности выделения углекислого газа - по методу В.И. Штатнова (1958). Потери торфяного слоя от ветровой эрозии -дефляции (методом повторных геодезических съемок и установкой торфо-пылеуловителей); потери, связанные с отчуждением урожая (расчетно-весовой метод); определение мощности торфяной залежи методом зондирования почвы (щупом, буром). Обработка экспериментальных данных - методом дисперсионного анализа по Б.А. Доспехову (1989), обработка в программе MS Excel 2003.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Изменение основных свойств целинных, освоенных старопахотных и выработанных низинных торфяных почв в зависимости от режима использования

Водно-физические и агрохимические свойства. На осушенных участках торфяной почвы, занятых бессменно в течение 37 лет сельскохозяйственными культурами, за последние 10 лет под пропашными культурами отмечено увеличение объемной массы почвы, под многолетними травами данный показатель не изменился.

Увеличение объемной массы торфа освоенной части торфомассива привело к снижению полной влагоёмкости по сравнению с целиной в 1,5-2 раза. Изменения показателей полной влагоёмкости при различных режимах использования освоенной торфяной почвы незначительны.

Агрохимические показатели осушенной низинной торфяной почвы существенно различаются в зависимости от длительности и характера сельскохозяйственного использования. На освоенных участках торфяной почвы отмечается увеличение рН до 5,9 по сравнению с целиной, где рН 4,5. В почвах под сельскохозяйственными культурами различия менее существенны: рН 5,3-5,9.

Зольность торфяной почвы в верхнем горизонте на целине составляет 10,5%, при бессменном интенсивном возделывании различных сельскохозяйственных культур данный показатель в пахотном горизонте увеличивается в 2-3 раза. Самая высокая зольность отмечена в чистом пару

- 30,4%, под долголетним культурным пастбищем в два раза меньше -15,8%.

На кислотный режим торфяных почв оказывает влияние высота стояния грунтовых вод. Так, при УГВ-200 см под многолетними травами отмечено подкисление почвенного раствора: гидролитическая кислотность

- 112,1 мг-экв. на 100 г, при УГВ 70-90 см - 41,9 мг-экв. на 100 г. Сумма обменных оснований составила соответственно 104 и 140 мг-экв; степень насыщенности основаниями - 48% и 77%.

При возделывании сельскохозяйственных культур отмечено снижение кислотности, увеличение степени насыщенности почв основаниями, повышение в почве содержания подвижных соединений фосфора, калия, кальция. За счёт регулирования водного режима, научно обоснованных агротехнических приемов и системы севооборотов даже в засушливые годы можно получать урожаи многолетних трав и пропашных культур на уровне средних многолетних показателей.

Ботанический состав и степень разложения торфа. Целинная часть торфомассива «Гадовское», занятая лесом, относится к низинному типу, лесо-топяному подтипу, древесно-осоковой группе. В ботаническом

составе торфа по всему профилю преобладают древесные остатки сосны, ели, березы, ивы (63-77%). Степень разложения торфяной залежи высокая по всему профилю — 45-55%.

Почва торфомассива «Зенгинское» относится к лесо-топяному подтипу, древесно-моховой группе, к древесно-сфагновому виду. В верхней части профиля в ботаническом составе торфа преобладают остатки древесины, сфагновых мхов и пушицы, вниз по профилю осоки. Степень разложения торфа в верхних горизонтах составляет 45-50%, вниз по профилю идет снижение до 20-30%.

В ботаническом составе почвы целинного участка торфомассива «Пищальское», относящегося к топяному подтипу, травяно-моховой группе, сфагново-осоковому виду, доминируют сфагновые мхи. Степень разложения торфа увеличивается вниз по профилю от 30% до 40%.

В ботаническом составе торфа целинного участка и старопахотной торфяной почвы торфомассива «Гадовское» существенных различий в содержании растений-торфобразователей не выявлено. Степень разложения освоенной торфяной почвы зависит от вида возделываемых культур. В пахотном горизонте почвы, подвергающейся частым обработкам при возделывании пропашных культур и в пару, она составляет 60-80%, под многолетними травами - 50-55%.

Деструкция органического вещества почвы при ежегодном поступлении в почву растительных остатков. В процессе разложения в почве растительных остатков и корневой системы растений, включающихся в биологический оборот и способствующих пополнению углеродно-азотного потенциала торфяных почв, деструкция надземной части фитомассы изучаемых растений происходила более энергично, чем разложение подземных органов растений. В засушливое лето этот процесс происходил медленнее на 5-15%, чем в теплый вегетационный период с большим количеством осадков. Наиболее интенсивное разложение надземных растительных остатков в почве наблюдалось у бобовых, масличных культур и злаковых трав: редьки масличной - 92,8%, суданской травы - 92,5%, лядвенца рогатого - 87,7%, а также у кукурузы - 98,1% и люцерны синегибридной - 93,5%, используемых в качестве сидератов.

Из потенциальных растений-торфообразователей максимальному разложению под влиянием факторов окружающей среды подвержены легкоразлагающиеся травянистые растения: осоки, хвощ, рогоз, папоротник и лиственный опад - степень разложения которых в изучаемых условиях, в среднем, составляет 56%. Менее интенсивно в изучаемых условиях происходил процесс разложения таких кустарничков, как багульник, клюква, голубика. К группе трудноразлагающихся растений отнесены мхи, лишайники и древесина. Скорость деструкции растительных остатков древесины одна из самых низких из-за наличия в них восков и смол.

Самая высокая степень разложения на поверхности торфяной почвы отмечена у хвоща: за три года произошла почти полная минерализация -78,8%, в затопленном состоянии —71,4%.

При сравнении динамики минерализации растений по годам в начальной стадии зафиксирована более интенсивная степень разложения по сравнению с последующими периодами.

Таблица 1. Динамика степени разложения растений-торфообразователей _по годам, %_

Растения На пове рхности На глубине 20 см Под водой

1 год 2 год 3 год всего 1 год 2 год 3 год всего 1 год 2 год 3 год всегс

Хвощ 71,3 5,8 1,6 78,8 - - - - 65,9 1,2 4,2 71,4

Осоки 32,6 13,8 3,2 49,7 37,7 3,3 8,1 49,0 31,0 16,6 0,5 48,0

Травянистые растения 27,2 15,9 3,9 47,1 29,5 11,6 5,8 47,0 17,8 7,0 6,0 30,7

Лиственный опад 30,3 11,7 3,6 43,7 - - - - 20,0 7,0 8,1 35,2

Хвойный опад 18,9 18,7 2,4 40,9 29,3 9,4 6,5 45,5 17,1 8,4 0,4 26,0

Кустарнички 16,2 9,1 0,7 25,8 7,9 4,2 1,7 13,8 10,1 1,7 2,5 14,3

Мхи 14,3 10,6 2,4 25,9 18,9 10,7 1,3 30,8 15,9 6,2 1,6 23,8

Лишайники 9,1 5,8 3,4 20,8 6,4 8,1 0,7 15,1 8,3 7,0 3,7 19,0

Древесина 8,5 9,5 3,9 22,0 4,2 12,6 1,5 18,3 5,7 2,7 2,3 9,8

В условиях вторичного заболачивания выработанного торфяника решающее влияние на торфонакопление оказывает водный режим. В зоне постоянного затопления процесс разложения всех растительных остатков в анаэробных условиях протекал в 1,5-2 раза медленнее, чем в среде с участием атмосферного кислорода - на поверхности почвы или в почве. При полном погружении отмирающей фитомассы болотной растительности в воду большая часть опада оставалась в полуразложенном состоянии. В результате ежегодного повторения этой ситуации происходит накопление органической массы из полуразрушившихся остатков растений, которая впоследствии может служить исходным материалом для образования «молодых» горизонтов торфяной залежи.

Динамика биологической активности торфяной почвы. Многолетние травы, выращиваемые на освоенной и выработанной торфяной почве, способствуют снижению биологической активности: на вариантах, где они используются под выпас и на сено, наблюдается более низкое разрушение клетчатки (71,7%; 70,4%) по сравнению с освоенными участками торфяной почвы под пропашными культурами — 79,9%.

Внесение минерального удобрения под многолетние травы на торфянисто-глеевой и полностью сработанной торфяной почве

способствовало увеличению биологической активности на 18-28% по сравнению с контрольным вариантом, где удобрения не вносились.

Вовлечение почв в сельскохозяйственное использование активизирует продуцирование углекислоты по сравнению с целинным осушенным торфяником, занятым лесом. Максимальное выделение С02 происходит в почве под многолетними травами в период их максимального роста, т.е. в июне. В сентябре-октябре, когда все процессы идут на спад, «дыхание» почвы характеризуется как очень слабое.

Качественное изменение свойств и состава органического вещества торфяных и выработанных почв

Органическое вещество целинного участка торфомассива «Гадовское» характеризуется увеличением содержания валового углерода вниз по профилю от 26,9% до 53,7%. Содержание гумусовых веществ и бензольной фракции также увеличивается вниз по профилю, а содержание целлюлоз и гемицеллюлоз снижается.

Бессменное использование торфяной почвы в течение 35 лет под паром и пропашными культурами привело к снижению валового углерода в пахотном слое до 43,5 - 41,4% по сравнению с целиной, что связано с увеличением аэрации почвы, усилением процесса минерализации. В почве под укосными многолетними травами содержание валового углерода увеличилось по сравнению с целиной вследствие регулярного поступления в почву органического вещества с пожнивными и корневыми остатками, снижения аэрации в верхнем слое почвы из-за высокой плотности дернины. Более высокое содержание валового углерода в почве на долголетнем пастбище объясняется дополнительным поступлением в почву органических веществ с выделениями животных (табл. 2).

В верхнем горизонте торфянисто-глеевой выработанной почвы, занятой многолетними травами, возделываемыми без перезалужения более 40 лет, накопление валового углерода выше (42,2%), чем под лесом (40,3%). Вниз по профилю разница в содержании валового углерода в этих почвах составляет 12,8%.

Количество водорастворимых соединений углеродного комплекса на целине, в чистом пару и под пропашными культурами вниз по профилю снижается. Под долголетним пастбищем, многолетними и однолетними травами отмечено увеличение содержания углерода за счёт уменьшения воздухообмена и снижения микробиологической деятельности.

Содержание углерода, извлекаемого 1н Н2304, на целине снижается вниз по профилю. В чистом пару при переходе в нижележащие горизонты происходит увеличение количества гемицеллюлоз в полтора раза. На остальных объектах чёткой динамики не прослеживается.

Таблица 2. Распределение углерода по фракциям органических соединений в торфяных низинных почвах при разной интенсивности использования

Вариант Глубина, см Углерод валовый Углерод по фракциям органического вещества

бензольная водная гумусовые вещества извлекаемый 1н H2S04 извлекаемый 80% H2SO4 негидро-лизуемый остаток

Сгк Сфк

Целина 0-7 26,9 0,20 1,10 10,34 1,08 0,59 1,89 11,71

7-24 44,2 0,88 0.91 10,96 24,58 0,46 0,68 5,73

24-76 53,7 1,07 0.71 20,43 17,88 0,34 0,41 12,89

Чистый пар 0-20 43,5 0,88 0,99 16,68 19,52 0,76 0,91 3,76

20-52 43,2 1,02 0,70 13,13 21,20 0,80 1,29 5,06

52-90 47,1 1,04 0,68 9,66 16,74 1,24 2,47 15,27

Пропашные 0-23 41,4 0,82 2,50 27,18 6,78 1,10 1,69 1,33

23-43 40,1 0,78 2,19 25,81 8,51 0,75 0,56 1,50

43-61 50,6 1,01 1,56 30,79 6,26 0,57 1,52 8,89

61-90 47,8 0,96 2,29 26,00 6,46 0,48 1,52 10,09

90-97 46,9 0,92 1,72 34,69 10,00 1,09 1,54 6,94

Многолетние травы 0-7 43,4 0,97 0,67 22,14 2,47 0,89 2,24 14,02

7-17 45,2 0,84 1,03 25,07 7,98 0,36 1,53 8,41

17-34 46,0 0,97 0,73 28,71 8,17 0,49 2,13 4,80

34-56 57,2 1,02 0,76 17,32 15,56 0,46 1,68 20,40

56-65 51,5 1,41 1,19 25,71 15,01 0,52 1,01 6,65

Однолетние травы 0-13 43,5 0,86 1,36 25,85 5,20 0,37 1,25 1,37

13-25 51,8 1,05 1,44 31,34 6,50 0,35 1,65 14,21

25-45 51,9 1,04 1,45 34,90 4,12 0,48 1,42 12,62

45-70 50,0 1,00 1,53 25,31 10,44 0,89 1,14 7,97

70-90 48,6 0,89 1,04 28,95 6,06 0,50 1,68 21,89

Пастбище 0-8 54,7 1,08 1,26 21,99 16,30 0,31 2,57 15,10

8-23 54,4 1,11 1,79 18,84 14,26 0,32 1,82 11,00

23-36 50,6 0,97 1,48 25,07 9,82 0,26 2,49 5,00

36-51 55,5 1,10 1,52 20,64 16,83 0,31 1,92 12,44

51-88 53,3 1,04 2,00 13,71 8,89 0,23 1,81 12,76

На освоенной и выработанной торфяной почве вниз по профилю наблюдалось изменение количества гумусовых веществ. Максимальное их накопление отмечено в средней части почвенного профиля вследствие биологической устойчивости к разрушающему действию микроорганизмов в условиях аэрируемой почвы и миграцией данных веществ вниз по профилю. Высокое содержание гумусовых веществ в контактно-переходном горизонте почвы под пропашными культурами, многолетними травами, возможно, связано с большим содержанием травянистых торфообразователей в ботаническом составе почвы.

В освоенной низинной торфяной почве с увеличением глубины залежи торфа на всех вариантах отмечено возрастание содержания гуминовых кислот. В почве под сельскохозяйственными культурами гуминовые кислоты преобладают над фульвокислотами из-за большей их

подвижности. Исключение составляет пар чистый. На данном варианте преобладание фульвокислот наблюдается по всему профилю, соотношение Сгк/Сфк составляет 0,58-0,85.

В лесном опаде на целинном участке соотношение гуминовых и фульвокислот составляет 9,57, что свидетельствует о гуматном типе гумуса, а на выработанной почве - 1,92 (фульватно-гуматный тип).

В верхнем слое целинной почвы, на глубине 7-24 см, преобладают фульвокислоты, что указывает на формирование фульватно-гуматного типа.

В верхнем пахотном слое выработанных торфяных почв под многолетними травами происходит накопление гуминовых кислот за счёт плотной дернины, которая снижает их вымывание.

В целинной торфяной почве, занятом лесом, содержание битумов в 4 раза больше, чем на выработанных почвах под лесом, так как на выработанной части торфомассива при любом режиме использования происходит более интенсивная минерализация торфа. В почве под лесом содержание битумов незначительно ниже, чем в условиях бессменного 40-летнего выращивания многолетних трав.

В пахотных слое освоенной торфяной почвы отмечено более низкое содержание битумов, чем в подпахотном, что связано с их частичным разрушением в условиях хорошей аэрации верхнего слоя. Под долголетним пастбищем отмечено более высокое количество бензольных соединений, чем на других объектах, поскольку процесс минерализации торфа на пастбище замедлен.

Сравнительный анализ состава органической части освоенной низинной торфяной почвы за 1995-2010 гг. Для более полного сравнительного анализа трансформации органического вещества рассматривались изменения, происходящие в почве на вариантах с бессменным возделыванием с 1975 года многолетних трав, используемых в двухукосном режиме, и пропашных культур при чередовании по годам картофеля, турнепса, свеклы кормовой и моркови.

Рис. 1. Содержание валового углерода под Рис. 2. Содержание валового углерода под пропашными культурами в 1995 г. и 2010 г. многолетними травами в 1995 г. и 2010 г.

За данный период произошло снижение содержания валового углерода под пропашными культурами по всему профилю на 2-8%. Под многолетними травами в верхнем корнеобитаемом слое 0-20 см наблюдалось снижение этого показателя на 7-10%, в средней части профиля содержание валового углерода не снижалось и даже происходило его накопление (рис.1, 2).

Содержание водорастворимых соединений в рассматриваемых вариантах минимальное, составляет не более 2% от общего углерода. По всему профилю за 15 лет количество углерода водной фракции увеличилось в 1,1-3,4 раза, процесс накопления его более интенсивно происходил под пропашными культурами.

Рис. 3. Фракционный состав органического вещества под пропашными культурами в 1995 г. и 2010 г.

Рис. 4. Фракционный состав органического вещества под многолетними травами в 1995 г. и 2010 г.

За период исследования с 1995 г. по 2010 г. в почве на варианте с пропашными культурами отмечалось снижение содержания углерода битумов на 0,16% - 1,3% вниз по профилю, вследствие частичного разрушения этих фракций в условиях хорошей аэрации. Под многолетними травами, где аэрация ниже, разрушение битумоидов происходило медленнее: 0,15% и 0,17% в пахотном и нижележащем слое.

Содержание фракции углерода целлюлоз под пропашными культурами в пахотном слое уменьшилось на 19,5%, в подпахотном - на 54,2-84,4%, в варианте с многолетними травами эти показатели составили соответственно 23,8% и 19,6-41,5%.

За 15-летний период отмечено снижение содержания гумусовых веществ под пропашными культурами до глубины 60 см, в нижележащем слое произошло накопление данной фракции на 6%, что связано, главным образом, с вымыванием гумусовых веществ (рис. 3). Под многолетними травами содержание углерода гумусовых веществ с 1995 года осталось на прежнем уровне, а некоторое увеличение отмечено в верхнем и контактно-переходном горизонтах (рис. 4). В верхнем слое почвы это увеличение происходит за счёт ежегодного поступления органического вещества корневых и пожнивных остатков трав. В контактно-переходном горизонте

процесс накопления углерода происходил по тем же причинам, что и под пропашными культурами.

За 20 лет бессменного использования торфяных почв под пропашными сформировался фульватно-гуматный (Сгк/Сфк 1,28-3,48), а под многолетними травами гуматный тип гумуса (Сгк/Сфк 1,57-5,16). В последующие 15 лет диапазон соотношения гуминовых и фульвокислот еще более расширился (Сгк/Сфк варьировало в пределах 1,11-8,96). Накопление гуминовых кислот происходило благодаря их большей устойчивости к разложению в условиях мелиорированной почвы. Фульватно-гуматный тип гумуса торфяных почв в нижних слоях под многолетними травами сформировался из-за контакта торфа с минеральным подстилающим фунтом.

Под многолетними травами в верхнем, корнеобитаемом слое почвы количество негидролизуемого остатка уменьшилось, а в средней части профиля увеличилось в два раза. Под пропашными культурами количество негидролизуемого остатка увеличилось, его снижение в два раза отмечено только в пахотном слое.

Состав органического вещества целинных торфяных почв. На целинных участках изучаемых торфомассивов, занятых лесом, различия в составе органического вещества почвы объясняются природой происхождения массивов, геоботаническими особенностями, степенью разложения торфа и зольностью.

Таблица 3. Распределение углерода по фракциям органических соединений _на различных торфомассивах_

Вариант Глубина, см Углерод валовый Углерод по фракциям ог >ганического вещества

бензольная водная гумусовые вещества извлекаемый 1 н Н2504 извлекаемый 80% Н2504 негидро-лизуемый остаток

Сг* Сфк

Торфо-массив Зенгинское 0-17 52,0 0,56 0,60 10,34 1,08 1,04 1,73 14,29

17-70 51,0 0,30 0,72 10,96 24,58 0,56 2,95 14,49

70-95 47,2 0,20 0,86 20,43 17,88 0,90 1,98 14,37

95-137 45,4 0,12 0,72 30,94 2,87 1,57 3,32 7,13

137-170 45,6 0,10 0,56 29,28 2,69 1,06 5,03 8,44

Торфо-массив Пищальское 0-15 50,4 0,13 1,30 25,75 ЗД4 1,06 7,57 15,41

15-35 55,6 0,35 1,87 25,52 6,99 1,29 7,29 6,95

35-65 53,0 0,26 1,57 25,46 4,91 2,40 7,15 4,44

65-100 51,8 0,21 1,10 16,13 8,82 2,48 5,20 8,22

Торфо-массив Гадовское 0-7 26,9 0,20 1,10 20,98 16,91 0,59 1,89 11,71

7-24 44,2 0,88 0.91 17,64 19,51 0,46 0,68 5,73

24-76 53,7 1,07 0.71 30,84 3,74 0,34 0,41 12,89

Максимальное содержание валового углерода по всему профилю наблюдается на торфомассиве «Пищальское» (50-56%). В ботаническом

составе преобладают осоки и мхи, степень разложения торфа в метровом слое - от 30 до 40%.

На торфомассиве «Зенгинское» содержание валового углерода ниже (45-52%), в ботаническом составе преобладают остатки древесины (3046%), мхов (34%) и пушицы (21%), степень разложения торфа в верхней части профиля 45-50%.

Низкое количество общего углерода (27-53%) на торфомассиве «Гадовское» связано с преимущественным количеством остатков древесины в ботаническом составе торфа (63-77%), высокой зольностью (8-12%) и высокой степенью разложения торфа (45-55%).

С увеличением процентного содержания растительных остатков пушицы и осоки снижается количество гумусовых веществ в почве. Подобная закономерность отмечена на всех типах изучаемых болот. Наименьшее содержание гумусовых веществ отмечено в почве переходного торфомассива «Зенгинское», где в метровой толще торфа в ботаническом составе присутствуют мхи, древесные и растительные остатки в равных долях. В торфомассиве переходного типа «Пищальское» с преобладанием моховой группы - высокое количество гумусовых веществ по всему профилю.

Отношение Сге/СфК в верхнем 20-сантиметровом слое целинной почвы торфомассива «Гадовское» сформировалось в пользу фульвокислот, а на Пищальском торфомассиве в этом же слое содержание гуминовых кислот в 2 раза выше. На Зенгинском торфомассиве отмечено ещё более значительное преобладание гуминовых над фульвокислотами.

В торфомассиве «Зенгинское» в почвенных горизонтах древесного и древесно-травяного ботанического состава отмечено высокое содержание гумусовых кислот. Однако при увеличении доли осок содержание гумусовых кислот снизилось, а содержание фульвокислот увеличилось в полтора-два раза.

В верхнем горизонте почвы торфомассива «Зенгинское», где в ботаническом составе в равных пропорциях присутствуют мхи и древесные остатки, отмечено максимальное содержание битумоидов (0,56%). Вниз по профилю содержание древесных остатков снижалось, увеличивалось количество травянистых растительных остатков, что привело к снижению бензольной фракции. На Гадовском торфомассиве содержание битумов увеличилось вниз по профилю, что связано с более выравненным ботаническим составом.

В целинных торфяных почвах, занятых лесом, уменьшение содержания лигнина происходило вниз по профилю (табл. 4). Самый высокий негидролизуемый остаток отмечен на торфомассиве «Зенгинское».

Таким образом, трансформация органического вещества происходила интенсивнее в почвах с более низкой степенью разложения

торфа, относящихся к моховой и травяной группе, по сравнению с торфами с высокой степенью разложения, в которых преобладают древесные остатки.

Количественное изменение запасов торфа и органического вещества в низинной торфяной и выработанной почве

В условиях низинного торфомассива «Гадовское» на долголетнем культурном пастбище и при возделывании многолетних трав на сено наблюдалось наибольшее поступление в почву неразложившихся растительных остатков (20,7 т/га и 14,1 т/га), количество которых зависело от высоты среза растений и полноты стравливания травостоя, а также от мощности корневой системы.

На участках с чистым паром, а также при возделывании пропашных культур отмечены максимальные потери запасов торфа (4,11 т/га и 3,85 т/га соответственно), которые объясняются ветровой эрозией и выносом торфа с почвообрабатывающими орудиями производства, особенно в ранне-весенний и осенний периоды.

В целинной почве и на участках с многолетними травами при любом режиме использования установлен положительный баланс органического вещества. Отрицательный баланс отмечен на вариантах, где осушенная торфяная почва длительное время подвергалась интенсивному антропогенному воздействию в ходе сельскохозяйственного использования.

Таблица 4. Соотношение основных элементов баланса, т/га

Варианты Приход (в абсолютно сухом веществе), т/га Расход (вынос торфа), т/га Баланс

пожнивные и корневые остатки оставленный в поле травостой при уборке вынос с орудием при обработке вынос с ветровой эрозией вынос с инфильтрацией

Целина 0,8 - - 0,0005 +0,7995

Многолетние травы 19,9 0,8 - 0,8 0,0004 +19,8996

Однолетние культуры 0,7 0,4 0,61 1,44 0,0006 - 0,9506

Пропашные 0,9 1,3 1,05 2,80 - - 1,6500

Пар чистый 1,7 - 0,64 3,47 0,0005 -2,4105

ДКП 13,2 0,9 - 0,80 0,0004 + 13,2996

Техногенно-эволюционное изменение почвенного покрова освоенных и выработанных торфяных почв

Наибольшая убыль торфяного слоя отмечена под культурами, требующими многократной обработки. На выработанной торфяной почве сработка органогенного слоя происходила более быстрыми темпами, чем на освоенной торфяной почве при любом режиме использования. По результатам зондировки, при бессменном 10-летнем возделывании однолетних трав на торфянисто-глеевой почве сработка торфяного слоя составила 5-15 см. За аналогичный период возделывания многолетних трав без перезалужения отмечена минимальная сработка торфа - 5-7 см.

На стационаре 1975 года залужения на осушенной торфяной почве с глубиной торфяного слоя 150 см наименьшие среднегодовые потери органического вещества отмечены под многолетними травами. Вынос органического вещества под долголетним пастбищным травостоем составил 1,32 т/га, под многолетними травами, возделываемыми в двухукосном режиме, — 1,56 т/га. Под пропашными культурами отмечена максимальная сработка торфа - 58,2 см, среднегодовая убыль органического вещества торфа за 36 лет в 2,3-2,7 раза выше, чем под многолетними травами (табл. 5).

Таблица 5. Изменение запасов органического вещества осушенной торфяной почвы в зависимости от возделываемых культур

Культура Срок использования, год Мощность торфяной залежи, см Сработка торфа, см Среднегодовое уменьшение мощности торфа, см Масса органического вещества, т/га

При закладке травостоя 2011 год 1975 год 2011 год Среднегодовая убыль

Многолетние травы 36 153,7 134,0 19,7 0,5 2843 2787 1,56

Пропашные культуры 36 150,1 91,9 58,2 1,6 2822 2693 3,58

Однолетние культуры 36 149,7 104,8 44,9 1,2 2919 2819 2,78

Пар чистый 36 149,6 120,0 29,6 0,8 2917 2832 2,36

Пастбище 76 120,0 111,8 8,2 0,1 2616 2516 1,32

Анализ изменений, происходящих с торфяной почвой в условиях интенсивного использования, показал, что сработка метрового слоя торфа при бессменном возделывании многолетних трав может произойти через

200 лет, под пропашными культурами почва будет сработана за 63 года, под однолетними травами за 83 года, в паровом поле - в течение 125 лет.

Выводы

1. В процессе сельскохозяйственного использования старопахотных низинных торфяных и выработанных почв в обрабатываемом слое торфа происходит снижение содержания органического вещества, увеличение зольности (до 30%), объемной массы и степени разложения торфа. Изменения зависят от интенсивности использования почвы. Физические, водно-физические и морфологические свойства нижележащих горизонтов достаточно стабильны во времени.

2. Показатели кислотного режима и почвенно-поглощающего комплекса освоенной низинной торфяной залежи в большей степени определяются её генезисом и в меньшей - режимом использования, на целинных торфомассивах - зависят исключительно от генезиса соответствующего слоя торфяного профиля.

3. Скорость трансформации органического вещества целинных торфяных почв зависит от ботанического состава торфа. Основными торфообразователями торфомассива «Гадовское» являются древесные остатки (сосна, ель, береза, ива), составляющие 60-80%, остальное - осоки, тростники, шейхцерия. В торфомассиве «Зенгинское» в ботаническом составе торфа 30-46% составляют древесные остатки (ель, сосна, береза) и 34% мхи, в нижней части профиля доминируют остатки осок - 46-51%. Основу залежи торфомассива «Пищальское» составляют травы (осоки, тростник), мхи. Древесных остатков — не более 15-20%.

Освоение низинного торфяника не оказывает существенного влияния на ботанический состав торфа. Степень разложения торфяной почвы, используемой в сельскохозяйственном производстве, зависит от вида возделываемых культур и горизонта. Высокая степень разложения - 6080% - отмечена в верхнем пахотном горизонте почвы под пропашными культурами и паром; под многолетними травами - 50-55%.

4. Максимальные значения скорости минерализации культурных растений, используемых в качестве сидератов, отмечены у кукурузы -94%, люцерны синегибридной - 88% и редьки масличной - 85%.

5. Моделирование деструкции потенциальных торфообразователей в различных условиях показало наибольшую интенсивность процесса разложения в начальной стадии. В аэробных условиях минерализация растительных остатков происходила в 2-3 раза быстрее, чем в анаэробных. Максимальная степень разложения выявлена у травянистых растений в аэробных условиях (хвощ - 78,8%), минимальная - у древесных остатков и кустарничков в анаэробных условиях (9,8-14,3%).

6. На целинном участке торфомассива «Гадовское» содержание валового углерода в почве составляет 26,9-53,7%, преобладающими

фракциями в составе органического вещества являются гумусовые вещества фульватно-гуматного типа и негидролизуемый остаток.

7. При длительном сельскохозяйственном использовании торфомассива «Гадовское» происходит существенное изменение фракционного состава органического вещества торфяной почвы. Возделывание пропашных культур и многократные механические обработки участка с чистым паром приводят к снижению содержания валового углерода в почве на 1,5-5,8% и гумусовых веществ на 1,3-4,0% в зависимости от горизонта. При выращивании многолетних трав в пастбищном режиме в течение 75 лет по сравнению с целинным участком происходит накопление валового углерода и гумусовых веществ соответственно на 1,8-10,2% и 0,9-2,3%. В процессе освоения торфяной почвы под всеми изучаемыми культурами увеличивается доля гуминовых кислот по отношению к фульвокислотам. На выработанных участках отмечена аналогичная закономерность: в торфянисто-глеевой почве, занятой многолетними травами, содержание валового углерода и гуминовых кислот почти в два раза выше, чем в торфяно-глеевой почвой под лесопосадками.

8. На целинных участках всех изучаемых торфомассивов происходит более интенсивная трансформация органического вещества в горизонтах с низкоразложившимся торфом моховой и травяной группы, по сравнению с древесными высокоразложившимися торфами. На низинном торфомассиве «Гадовское» содержание валового углерода и гумусовых веществ увеличивается вниз по профилю, на переходных участках торфомассивов «Зенгинское» и «Пищальское» их содержание, напротив, уменьшается от верхних к нижним слоям профиля.

9. Длительное интенсивное использование старопахотных торфяных и выработанных почв приводит к дальнейшему физическому уменьшению торфяного слоя. Под пропашными культурами среднегодовая сработка составила 1,6 см, под долголетним культурным пастбищем — не более 0,1 см. Ежегодный вынос органического вещества в результате действия природных и антропогенных факторов - 3,58 т/га на варианте с пропашными культурами и 1,32 т/га на пастбище.

10. Многолетние травы обеспечивают положительный баланс органического вещества: от +13 до +19 т/га при любом режиме использования. Устойчивый отрицательный баланс отмечен в низинной торфяной почве под однолетними культурами: -0,95 т/га; под пропашными культурами: -1,65 т/га; под чистым паром: -2,41 т/га.

Предложения производству

Для сохранения верхнего плодородного слоя низинных торфяных и выработанных почв в процессе сельскохозяйственного использования

рекомендуется применять научно обоснованную почвозащитную систему земледелия.

1. На старопахотных торфяных и выработанных почвах в севообороте необходимо увеличивать до 80-90% долю многолетних трав, так как бессменное использование многолетних трав в укосном и пастбищном режиме способствует замедлению торфоразрушительных процессов и продлению сроков использования торфяной залежи в качестве почвы.

2. Обеспечение положительного баланса и поступления в почву дополнительного органического вещества возможно при включении в систему севооборотов наряду с многолетними травами и кормовыми культурами, зелёного удобрения - сидератов (кукурузы, люцерны синегибридной, редьки масличной).

3. Торфяную залежь травянисто-моховой группы как наиболее уязвимую следует использовать преимущественно для возделывания многолетних трав, а почву с доминированием хорошо разложившегося древесного торфа можно использовать в севообороте.

Список опубликованных работ по теме диссертации

Статьи в рецензируемых журналах, согласно перечню ВАК:

1. Лунина Н.Ф., Уланов А.Н., Смирнова A.B. Влияние антропогенного воздействия на состав органического вещества низинных торфяных почв Кировской лугоболотной опытной станции // Известия Санкт-Петербургского государственного аграрного университета. - Санкт-Петербург: СПбГАУ, 2009. -№ 15. - С. 21-25.

2. Уланов А.Н., Смирнова A.B. Опыт использования торфяных месторождений на Кировской лугоболотной опытной станции // Мелиорация. - Минск: РУП «Институт мелиорации», 2009 — №1. - С. 191202.

3. Смирнова A.B. Влияние антропогенного воздействия на изменение состава органического вещества торфяных и выработанных почв // Аграрная наука Евро-Северо-Востока. - Киров: НИИСХ Северо-Востока имени Н.В. Рудницкого, 2013. - №2. (33). - С. 48-52.

Другие статьи и материалы конференций

4. Уланов А.Н., Смирнова A.B. История и современные исследования долголетних культурных пастбищ на низинных торфяных почвах // Освоение экосистем и рациональное природопользование на торфяных почвах: Матер, междунар. науч.-практ. конф., посвящ. 85-летию основ. Кировской лугоболотной опытной станции. - Киров: Кировская лугоболотная опытная станция, 2003,— С. 88-96.

5. Смирнова A.B. Состав органического вещества торфяных почв. // Рациональное использование торфяных месторождений: Матер, междунар. науч.-практ. конф., посвящ. 90-летию основ. Кировской лугоболотной опытной станции. - Киров: ОАО «Дом печати - Вятка», 2008 - С. 197-204.

6. Смирнова A.B., Уланов А.Н. Особенности сельскохозяйственного освоения и использования выработанных торфяников // Науке нового века - знания молодых: Сб. стат. 9-й науч. конф. аспирантов и соискателей. Ч.1.- Киров: ФГОУ ВПО «ВГСХА», 2009. - С. 99-104.

7. Уланов А.Н., Смирнова A.B. Биологическая активность выработанных торфяных почв // Науке нового века - знания молодых: Материалы Всероссийской науч.-практ. конф. молодых ученых, аспирантов и соискателей, посвященной 80-летию Вятской ГСХА. 4.1. — Киров: ФГОУ ВПО Вятская ГСХА, 2010. - С. 153-155.

8. Смирнова A.B. Опыт многолетнего использования культурных пастбищ на осушенных торфяниках в условиях северо-востока НЗ РФ // Роль культурных пастбищ в развитии молочного скотоводства Нечерноземной зоны России в современных условиях: Сб. науч. трудов на основе материалов междун. науч.-практ. конф. по развитию лугопастбищного хозяйства, посвящ. 50-летию ОАО «Михайловское» Ярославской обл. / Под редакцией H.A. Ларетина, A.A. Кутузовой, В.М. Косолапова. - М.: Угрешская тип., 2010. - С 133-139.

9. Уланов А.Н., Смирнова A.B. Создание и использование долголетних культурных пастбищ на торфяных почвах // Инновационные технологии использования торфа в сельском хозяйстве: Сб. докладов междунар. науч.-практ. конф. - Владимир: Россельхозакадемия - ГНУ ВНИИОУ, 2010. - С. 213-224.

10. Уланов А.Н., Смирнова A.B. Изменение торфяного слоя в условиях возделывания различных сельскохозяйственных культур // Науке нового века - знания молодых: Материалы Межд. науч-прак. конф. молодых ученых, аспирантов и соискателей. - Киров: ФГОУ ВПО Вятская ГСХА, 2011.-С. 153-159.

11. Смирнова A.B., Уланов А.Н. Изменение состава органического вещества в низинной торфяной почве в результате сельскохозяйственного использования // Науке нового века - знания молодых: Материалы Междунар. науч-прак. конф. молодых ученых, аспирантов и соискателей. 4.1. - Киров: ФГБОУ ВПО Вятская ГСХА, 2012. - С. 45- 49.

12. Уланов. А.Н., Смирнова A.B. Использование органических удобрений на торфяных и выработанных почвах // Высокоэффективные системы использования органических удобрений и возобновляемых биологических ресурсов: Сб. докладов. - Владимир: Россельхозакадемия -ГНУ ВНИИОУ, 2012.-С. 177-182.

13. Глубоковских А. Л., Смирнова А. В. Влияние кормовых культур на сохранность и плодородие торфяных почв // "Научное обеспечение

кормопроизводства России": Матер, междунар. науч.-прак. электронной конф., посвященной 100-летию ВНИИ кормов имени В. Р. Вильямса (12-13 июня 2012). М.: ГНУ Всероссийский НИИ кормов имени В. Р. Вильямса Российской академии сельскохозяйственных наук, 2012. - С. 315-320.

14. Смирнова A.B. Оценка сезонной динамики выделения С02 под различными сельскохозяйственными культурами в условиях торфяных почв // Высокопродуктивные ландшафты на торфяных почвах: Матер, междунар. науч.-прак. конф., посвященной 95-летию основания КЛОС. Сб. науч. тр. — Киров: «Дом печати — Вятка», 2013. — С. 162-167.

15. Смирнова A.B. Влияние многолетних трав и выпаса крупного рогатого скота на изменение свойств торфяной почвы // Высокопродуктивные ландшафты на торфяных почвах: Матер, междунар. науч.-практ. конф., посвященной 95-летию основания КЛОС. Сб. науч. тр. — Киров: «Дом печати — Вятка», 2013. — С. 152-161.

16. Глубоковских А. Л., Смирнова А. В. Влияние кормовых культур на сохранность и плодородие торфяных почв // Многофункциональное адаптивное кормопроизводство: Матер, междунар. науч.-практ. конф., посвященной памяти академика Россельхозакадемии Б.П. Михайличенко. / Под редакцией чл.-корр. Россельхохакадемии В.М. Косолапова, Н.И. Георгиади - М.: Угрешская типография, 2013. — С. 307-311.

17. Смирнова A.B. Влияние долголетнего возделывания сельскохозяйственных культур на органическое вещество торфяных и выработанных почв // Знания молодых: наука, практика и инновации: Сб. науч. тр. межд. науч-практ. конф. молодых ученых, аспирантов и соискателей. 4.1. - Киров: ФГБОУ ВПО Вятская ГСХА, 2013. - С. 117-121.

18. Смирнова A.B. Организация и эффективное использование долголетних пастбищных травостоев созданных на торфяных почвах // Многофункциональное адаптивное кормопроизводство: средообразующие функции кормовых растений и экосистем: Сб. науч. тр. Выпуск 1 (49). / Под редакцией члена-корреспондента Россельхозакадемии В.М. Косолапова, доктора с-х наук И.А. Трофимова, Н.И. Георгиади / Всероссийский научно-исследовательский институт кормов им.

B.Р. Вильямса. - М.: Угрешская типография, 2014. - С. 112-118.

19. Кутузова A.A., Зотов A.A., Тебердиев Д.М., ..., Смирнова A.B. Практическое руководство по ресурсосберегающим технологиям улучшения и использования сенокосов и пастбищ в Волго-Вятском регионе. - М.: Типография Россельхозакадемии, 2014. - 75 с.

20. Смирнова A.B. Динамика разложения растений-торфобразователей // Мелиорация и водное хозяйство XXI века: проблемы и перспективы развития: Матер, междунар. науч-прак. конф. ФГНУ ВНИИМЗ, г. Тверь. 27-28 августа, - Тверь: Твер. гос. ун-т, Кн. 2. 2014,-

C. 148-153.

Подписано в печать 14.04.2015. Формат 60x84 1/16. Усл. п. л. 1,5 Тираж 100 экз. Заказ 098/15.

Отпечатано в ООО «Типография «Старая Вятка» 610000, г. Киров, ул. Спасская, д. 18 стр. 2, оф. 26, тел. /8332/ 65-36-77