Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему
Устойчивость гумуса почв Западной Сибири в условиях антропогенного влияния
ВАК РФ 03.00.27, Почвоведение
Автореферат диссертации по теме "Устойчивость гумуса почв Западной Сибири в условиях антропогенного влияния"
На правах рукописи
К 631.417.2:504.53.064
КЛЕНОВ БОРИС МАКСИМОВИЧ
УСТОЙЧИВОСТЬ ГУМУСА почв ЗАПАДНОЙ СИБИРИ В УСЛОВИЯХ АНТРОПОГЕННОГО ВЛИЯНИЯ
(Специальность 03.00.27-почвоведение)
АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора биологических наук
Новосибирск 1998
Работа выполнена в Институте почвоведения и агрохимии СО ]
Научный консультант: доктор биологических наук, член-корреспондент РАН И.М.Гаджиев
Официальные оппоненты:
доктор биологических наук В.М.Курачев доктор биологических наук Т.Т.Ефремова доктор биологических наук В.А.Рассыпнов
Ведущая организация:
Институт земледелия и химизации сельского хозяйства СО РАСХН
Защита состоится 15 декабря в 10 час. 1998 года на заседании диссертационного совета Д.002.15.01 в Институте почвоведения и агрохт-Сибирского отделения РАН по адресу: 630099, Новосибирск, Советская, 1
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института почвоведения и агрохимии СО РАН
Автореферат разослан ноября 1998 года
Ученый секретарь
диссертационного совета доктор биологических наук
М.И Дергачева
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы. Гумус почв, являясь накопителем С, Р, Б, микроэлементов, необходимых прежде всего для роста и развития растительности, выполняет ресурсную функцию. По многим подсчетам исследователей мира установлено, что количество С, например, аккумулированного в гумусе, вдвое выше, чем в биомассе. Размеры накопления гумуса позволяют говорить о существовании особой оболочки Земли - гумосфере. Другая основная функция почвенного гумуса - обеспечение непрерывной жизнедеятельности организмов на Земле. Гумус - продукт живого вещества и его источник, одно из звеньев непрерывных трофических связей между различными жизненными формами. Однако после освоения почв и вовлечения их в длительное сельскохозяйственное производство происходит значительное ослабление и даже нарушение основных функций почвенного гумуса, что в целом может привести к серьезным экологическим последствиям .
В настоящее время проблема гумуса приобретает наибольшую практическую значимость, поскольку в глобальном масштабе происходят его потери. Глобальная проблема потерь гумуса стала наиболее серьезной в связи с деградацией почв и ожидаемым влиянием эмиссии углекислоты из почвы в атмосферу на проявление парникового эффекта. Многочисленные литературные сведения, нередко противоречивые и неоднозначные, тем не менее позволяют проследить общую тенденцию: постоянно идущие потери гумуса из всех или -почти из всех освоенных и длительно используемых почв, составляющие около 1 т/га в год, а иногда и более.
В обширном районе России - Западной Сибири, обладающей огромными и разнообразными по качеству земельными ресурсами, потери гумуса из почв весьма значительны несмотря на относительную молодость земледелия по сравнению со многими районами планеты. Особенно велики эти потери (до 0,8 т/га в год) в районах наибольшего освоения земель - в лесостепной и степной зонах.
Кроме общих потерь гумуса, состоящих из биологических (минерализационных) и эрозионных, происходят значительные его качественные и структурно-функциональные изменения, снижающие плодородие почв, что и предопределило необходимость выполнения данной работы. Цель работы - изучить изменения основных показателей гумусового состояния и структурно-функциональных параметров гумусовых кислот ав-томорфных почв зонально-широтных природных комплексов в условиях длительного использования их в земледелии.
Основные задачи:
1. Проанализировать опубликованные литературные материалы по проблеме изменения основных показателей гумусового состояния пахотных почв в сравнении с их целинными аналогами.
2. Изучить количественный и качественный состав общих потерь гумуса черноземов и каштановых почв, а также структурно-функциональные изменения гумусовых кислот в условиях длительного богарного и орошаемого земледелия.
3. Разработать понятие и критерии устойчивости гумуса как части агроэкосистемы, а также принципы предотвращения дальнейших потерь его из пахотных почв.
Научная новизна. Обобщены литературные материалы, отражающие изменения показателей гумусового состояния в автоморфных почвах зонально-широтных комплексов Западной Сибири под влиянием антропогенного воздействия - освоения почв и последующего длительного их использования в земледелии. Установлено при этом ослабление гумусообра-зования при сохранении в любом случае общей его направленности.
Впервые установлены как общие потери гумуса из почв на основе фракционно-группового состава гумуса, так и подвижных и устойчиво закрепленных минеральной почвенной основой его компонентов.
Экспериментально установлено и теоретически обосновано влияние длительного использования почв в земледелии на негативные изменения основных показателей гумусового состояния почв и структурно-функциональных параметров гумусовых кислот.
На основе комплексных экспериментальных исследований природы гумусовых кислот в богарных и орошаемых черноземах доказана деструктивная роль ненормированного периодического орошения в разрушении структуры гумусовых кислот.
Выявлены критерии экологической устойчивости гумуса и принципы предотвращения дальнейших его потерь из пахотных почв.
Защищаемые положения:
1. Устойчивость почвенного гумуса определяется способностью всех его состаляющих противостоять количественным, качественным и структурно-функциональным изменениям под влиянием антропогенных факторов.
2. Ослабление интенсивности и сохранение направленности гуму-сообразования в автоморфных почвах всех природных комплексов Западной Сибири под влиянием богарного и орошаемого земледелия сопровождается качественными, количественными и структурно-функциональными изменениями основных компонентов гумуса.
3. Темпы потерь гумуса из пахотных почв, негативные изменения показателей гумусового состояния и структурно-функциональных параметров гумусовых кислот - фундаментальная основа для разработки мероприятий по проведению гумусовых мелиорацнй.
Практическая значимость и реализация результатов. Экспериментальная информация, полученная в процессе сравнительного изучения гумусового состояния почв и структурно-функциональных параметров гумусовых кислот целинных и пахотных почв позволяет сделать прогнозные расчеты сохранности гумуса в почвах при дальнейшем ведении существующей системы землепользования - недостаточном или полном отсутствии восполнения почвенного органического вещества в виде доступных органических мелиорантов. Негативные изменения показателей гумусового состояния и значительные структурно-функциональные нарушения с потерей азота, в частности, в системе гумусовых соединений при дальнейшем использовании почв в земледелии и особенно в связи с ненормированным орошением служат серьезным основанием для обеспечения бездефицитного баланса гумуса.
Разработанные основы проведения альтернативных гумусовых ме-лиораций в различных природных комплексах позволят предотвратить дальнейшие потери гумуса и повысить устойчивость его экологического функционирования.
Теоретический и экспериментальный материал данной работы может оказаться существенным дополнением для совершенствования экологического образования студентов, специализирующихся в области почвоведения, агрохимии, природопользования.
Материалы проведенного литературного и экспериментального анализа использованы для составления картосхемы гумусового состояния почв земледельческих территорий лесостепной и степной зон Новосибирской области.
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на рабочих совещаниях по проблеме почвенного гумуса (Ленинград, 1973; Москва, 1978, 1981, 1984), конференциях по химии гумусовых кислот (Тюмень, 1981, 1984), Сибирском агрохимическом семинаре (Новосибирск, 1985), VIII съезде ВОП (Новосибирск, 1989), философском методологическом семинаре в Институте почвоведения и агрохимии СО РАН (Новосибирск, 1991), II съезде РОП (Санкт-Петербург, 1996); материалы по гумусообразованию в сибирских почвах представлялись на Международном симпозиуме "Гумус и растение" (Прага, 1985) и Международном симпозиуме по физике, химии и экологии сезонно-мерзлотных почв (США,1997).
Публикации. По теме диссертации опубликованы 43 работы, в том числе 5 монографий, одна из которых в соавторстве и три - коллективные.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения, общих выводов, изложена на 269 стр., содержит 32 таблицы и 9 рисунков. Список литературы включает 243 наименования, в том числе 70 работ зарубежных авторов.
Отдавая должное памяти засл. деятеля науки России, проф. Р.В.Ковалева, по инициативе которого эта работа была начата, автор считал необходимым довести ее до конца и выразить безграничную благодарность учителю. На заключительном этапе работы автор постоянно ощущал огромную помощь и поддержку со стороны чл.-кор. РАН, д-ра биол. наук И.М.Гаджиева, которому выражает сердечную благодарность. Автор также искренне благодарен всем сотрудникам Лаборатории генезиса и географии почв ИПА СО РАН за помощь в получении некоторых экспериментальных данных, а также всем научным и инженерно-техническим работникам ИПА СО РАН, к которым многократно приходилось обращаться в процессе выполнения работы, за многочисленные квалифицированные консультации и сотрудникам библиотеки ИПА СО РАН за своевременную доброжелательную помощь в получении всей необходимой литературы.
ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Настоящая работа является обобщением многолетних результатов, полученных автором в процессе выполнения плановых научно-исследовательских работ Лаборатории географии и генезиса почв Института почвоведения и агрохимии СО РАН за последние 25 лет. Объектами исследований явились автоморфные почвы широтных комплексов равнинной части Западной Сибири: южной тундры и лесотундры, таежных подзон, зоны подтайги, лесостепи и сухой степи. Основные подходы при выполнении работы - сравнительно-географический и сравнительно-аналитический.
Изучение основных показателей гумусового состояния почв всех зон (содержание и запасы гумуса и С/Ы почв, фракционно-групповой состав гумуса) и их изменение в условиях распашки и длительного экстенсивного использования в земледелии проведено по литературным материалам и результатам собственных исследований. По результатам пространственного варьирования показателей запасов гумуса, С/КГ, Сгк/Сфк, содержания подвижных (ГКподв) и связанных кальцием (ГК-Са) получены средние данные (М ± т), использованные для оформления иллюстративного материала. Выборка данных для слабо изученных почв северных подзон составляла 5-10, для южных, где изученность почвенного покрова и его освоенность гораздо шире, около 50. В почвах, для которых представилось возможным иметь целинные и пахотные (серых лесных, черноземах обыкновенных), а также орошаемые аналоги (черноземах выщелоченных, каштановых) проведено более подробное изучение гумусового состояния и
структурно-функциональных характеристик гумусовых кислот: элементного состава, количества кислых функциональных групп, оптических и коагу-ляционных свойств, а также отношения к гидролизу водой и минеральными кислотами. К моменту отбора полевого материала серые лесные почвы (Томская область, водораздел Томь-Яя) и черноземы выщелочегшые (Новосибирская область, Приобское плато) использовались в пашне 100 лет, а черноземы обыкновенные (Северо-Казахстанская область, Петропавловское Приишимье) - 30 лет. Кроме того, через 15 лет после освоения целинных и залежных земель на примере целинного и пахотного образцов темно-каштановой почвы (Алтайский край, Кулундинская степь) рассмотрены некоторые характеристики гумусовых кислот, а для оценки потерь гумуса из богарного и орошаемого варианта освоенной 40 лет тому назад каштановой почвы Кулунды использованы литературные данные (Ковалева, 1997). Для расчетов потерь гумуса го чернозема оподзоленного использованы литературные данные (Хмелев, Давыдов, 1984; Хмелев, 1989).
Включенные в работу литературные данные были получены, естественно, в разное время на различном методическом и экспер1шентальном уровнях, не всегда оказывались достаточно подробными или сравнимыми, в связи с чем выполнялась камеральная работа по подбору почвенных профилей, формирующихся в аналогичных биоклиматических условиях, и по проведению расчетов недостающих данных с целью получения унифицированного обзорного материала.
Органический С и фракционно-групповой состав гумуса определены по общеизвестным методам И.В.Тюрина. При выполнении расчетов баланса потерь и восполнения как запасов гумуса, так и групп и фракций органического С по материалам фракционно-группового состава гумуса использовали данные для целинного и пахотного вариантов. Из результатов для отдельного слоя гаи всей гумусовой толщи целинной почвы вычитались соответствующие показатели для пахотного аналога. В случае потерь разность имела положительное значение, поскольку для целинного аналога параметры, как правило, выше, чем для пахотного. Однако, чтобы показать, что происходят потери, значения получаемой при этом разности указывали со знаком "-". В случае накопления (восполнения) С разность между параметрами для целинного и пахотного аналогов имела отрицательное значение, которое брали со знаком "+". Перед итоговым значением баланса (100%) никаких знаков не указывали.
На основании результатов фракционно-группового состава гумуса были проведены балансовые расчеты качественного состава потерь С из всей гумусовой толщи, в пределах которой представлялось целесообразным проводить фракционно-групповой анализ его состава, т.е. до 0,5% содержания С в почве. В результате учитывалось более 90% всего запаса гумуса в метровом слое.
2 Заказ №413
Элементный состав гумусовых кислот определяли с помощью установки CHN-1, предварительно отработанной на примере образцов почв и гумусовых кислот с известным содержанием определяемых элементов, а также аминокислот. Сущность метода - сухое сожжение с газовохромато-графическим окончанием анализа, с непосредственным определением С, Н, N; О рассчитывали по разности.
Спектрофотометрические исследования ГК и ФК в видимой части спектра проводили с помощью установки Specord UV-Vis в процессе выполнения фракционно-группового состава гумуса. Коагуляционные свойства ГК изучены по методу М.М.Коновой (1963). Для получения функциональной характеристики ГК и ФК пользовались баритным методом определения в них суммарного количества карбоксильных -СООН и гидроксиль-ных -ОН групп и ацетатным методом определения карбоксильных групп. Содержание гидроксильных групп вычислено по разности. Выполнение определения описано в руководстве Д.С.Орлова и Л.А.Гришиной (1981), которое использовалось также и для выделения препаратов гумусовых кислот. Основные характеристики гумусовых кислот изучали преимущественно на примере преобладающей фракции (2-й, как правило). Для раздельного получения препаратов 1-й и 2-й фракций методика выделения препаратов из почвы была несколько модифицирована. Прежде всего навеска почвы непосредственно обрабатывается раствором щелочи до исчерпывающего экстрагирования гумусовых веществ (вместо непосредственного декальцирования, как приводится в руководстве). Дальнейшая процедура по выделению препаратов не отличается принципиально от общепринятой, предусмотренной по методу И.В.Тюрина. Зольность получаемых при этом препаратов колеблется в пределах 3-6% для ГК и 6 -8% для ФК.
Для получения более полной характеристики природы ГК и ФК проверяли также их устойчивость к гидролизу минеральными кислотами, в частности, серной. Процедура проведения гидролиза описана в ряде источников (Геммерлинг, 1946; Рыдалевская, Терешенкова, 1956; Орлов, Гришина, 1981 и др.); модификации отличаются лишь применяемой кислотой и другими деталями, не влияющими на получение конечных результатов. Кроме того проверена гидролизуемость выделенных препаратов гумусовых кислот под влиянием воды, применяемой при орошении чернозема выщелоченного Новосибирского Приобья.
Все полученные по пахотным и целинным почвам данные, отражающие структурно-функциональную схему строения ячейки гумусовых кислот , рассматривались с учетом накопленного в мировой литературе экспериментального и теоретического материала о составе и свойствах их.
ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ РОЛЬ ГУМУСА И ПОСЛЕДСТВИЯ ЕГО АНТРОПОГЕННЫХ ИЗМЕНЕНИЙ
Проведен литературный анализ экологизации учения о почвенном гумусе со времен В.В.Докучаева. В экологическом отношении гумусообразование представляет собой эутрофикащпо эдафической среды, т.е. приобретение бесплодной породой элемента плодородия. Происходящие в глобальном масштабе потери гумуса в конечном счете ведут к нарушению и даже потере его основных экологических функций -ресурсной и обеспечивающей жизнедеятельность растений, почвенных микроорганизмов и мезофауны.
В обзоре неоднородных, неоднозначных и нередко противоречивых данных мировой литературы отмечается общая тенденция - постоянно идущие потери гумуса из всех освоенных и длительно используемых почв и, как правило, наибольшие из черноземов. Основными (предельными) параметрами для оценки изменений под влиянием антропогенной деятельности, принимаются только цвет почвы, Содержание в ней гумуса и величина C/N. Значительно реже отмечаются в литературе случаи накопления или сохранения гумуса в длительно используемых почвах. Обзор данных позволил нам придти к заключению, что сохранению плодородия почв способствует преимущественно либо органо-минеральная система земледелия (Jenkinson, Rayner, 1977; Курмышева и др, 1996 и мн. др), либо длительное поступление в почву богатых органическим веществом ирригационных наносов (Антипов-Карагаев, Филиппова, 1955; Sander, Eash, 1995 и др.) при нормированном орошении их в районах с недостаточным естественным увлажнением. Минеральная система земледелия, чаще всего способствующая повышению подвижности почвенного гумуса (Донских, Назарова, 1997), и даже длительное пребывание почвы в залежном состоянии (Thori et al., 1995) не обеспечивают восполнение органического вещества. Если восполнение и имеет место, то оно, как правило, неизмеримо мало по сравнению с теми потерями, которые происходят впоследствии при длительном использовании почв в земледелии.
Как нам представляется на основании обзора данных мировой литературы, плодородие почв, видимо, определяется не столько количеством гумуса, сколько количеством быстро минерализующихся его компонентов и, в особенности, гидролизуемой (алифатической) частью молекул гумусовых кислот. Гидролизуемая часть гумусовых кислот отчуждается в течение многих десятилетий до установления нового стационарного гумусового уровня, при котором в отсутствии должного гумусового контроля сохранившаяся устойчивая ядерная часть молекул гумусовых кислот становится инертной массой, потерявшей способность осуществлять обменные реакции. Восстановление активной гидролизуемой
части молекул гумусовых кислот в современных пахотных почвах, потерявших значительную часть гумуса, может быть обеспечено органо-минеральной системой земледелия, когда соответствующий органический материал должен вноситься скорее всего из расчета на поддержание катионообменных свойств гумусовых кислот, а минеральные удобрения -из расчета на планируемый урожай.
Общие потери гумуса складываются из минерализационных и эрозионных, последние в Западной Сибири могут быть внушительными и составлять до 1/2 и более от общих потерь гумуса, особенно в эрозионноопасных районах (Танасиенко, Путшшн, 1996). Увеличение площади пахотных земель в Западной Сибири в период с 1860 по 1960 г.г. произошло в 10 раз, тогда как в целом по России в 4 раза , а в США в 2,5 раза, и привело к тому, что доля "западносибирской" углекислоты, поступающей в атмосферу за счет потерь гумуса пахотными почвами, составляет 10% от глобального ее количества (Титлянова и др., 1995), что еще раз подчеркивает серьезность экологических последствий за счет потерь гумуса из почв.
СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ ОБ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ УСТОЙЧИВОСТИ ПОЧВЕННОГО ГУМУСА
Литературные материалы и отчасти результаты собственных исследований позволили в данной части работы систематизировать современные представления об экологической устойчивости почвенного гумуса. Понятие устойчивости системы гумусовых веществ в целом и отдельных групп и фракций гумуса окончательно еще не утвердилось. Гумусовые вещества почвы несут разнообразную функциональную нагрузку в агроэкосистемах, и, как представляется, вопрос экологической устойчивости их целесообразно рассматривать в трех аспектах.
1. Гумусовые вещества в значительной мере обусловливают
устойчивость почв к антропогенному прессу, выполняя при этом природоохранную функцию. Являясь по существу хроматографи-ческой системой, гумус частично связывает поступающие в почву минеральные удобрения, тяжелые металлы, биологически активные вещества (гербициды), поверхностно-активные вещества (мыла и детергенты, поступающие при орошении сточными водами), и другие загрязнители. Как правило, гумусовые вещества устойчивы к известкованию, гипсованию и действию тех минеральных удобрений, которые по своей природе являются гидролитически кислыми и нейтральными солями. Под влиянием пестицидов гумусовые вещества не разрушаются, поскольку в силу сродства они образуют с большинством пестицидов эфирные и другие соединения, что приводит к инактивации пестицидов и
длительному пребыванию их в почве. Для тяжелых металлов, радионуклидов барьером служат только свободные гумусовые вещества, способные частично устранять их из почвенного профиля в виде простых солей, комплексно-гетерополярных соединеий, а также хелатов.
2. Выполняя природоохранную функцию, гумусовые вещества вместе с тем подвергаются воздействию других антропогенных факторов. Так, минеральные удобрения, являющиеся по своей природе гидролитически щелочными солями, приводят к образованию водно-растворимых щелочных солей солей гумусовых кислот, особенно при ненормированном внесении, аналогично действие на гумусовые вещества и поверхностно-активных веществ, содержащих Na и К. Наиболее сильному антропогенному прессу подвергаются гумусовые вещества при распашке почв и последующем длительном их использовании в земледелии. При экстенсивном использовании почв в богаре и под влиянием орошения за счет усиления минерализации и эрозии происходят не только потери гумуса, но и качественные и структурно-функциональные изменения всех его составляющих.
3. Гумусообразование само по себе представляет синтетический процесс образования устойчивых к биодеградации природных органических соединений, т.е. более устойчивых, чем исходные продукты (Орлов, 1990; Тейт, 1991). Однако устойчивые соединения почвенного гумуса не являются абсолютно устойчивыми, поскольку не бывает непрерывного накопления их в экосистеме. Невзирая на длительное время пребывания в почве, подтверждаемое радиоуглеродными датировками, они способны обновляться, а также подвергаться микробиальной деструкции. В частности, гумусовые кислоты представляют собой самые сложные природные соединенггя, подвергающиеся разложению почвенными микроорганизмами. Например, Nocardia corallina и Pénicillium frequentans могут разлагать до 1/4 ГК, в том числе и ароматическую часть их, если они представляют единственный источник С и N (Paul, Mathur, 1967; Сидоренко и др., 1978).
Таким образом, экологическая устойчивость гумусовых веществ должна рассматриваться в биосферном и хозяйственно-экономическом аспектах и предусматривать: 1) Способность их противостоять изменению своей природы под влиянием антропогенных факторов, 2) Изменение их количественных, качественных и структурно-функциональных параметров в условиях антропогенного пресса, 3) Микробиальную деструкцию и об-новляемость в исходных и нарушенных экосистемах.
ИЗМЕНЕНИЕ ГУМУСА ПОД ВЛИЯНИЕМ АНТРОПОГЕННОГО
ВОЗДЕЙСТВИЯ
Основные показатели гумусового состояния почв
Одна из характеристик гумусового состояния почв - профильное распределение гумуса - позволяет отметить, что в почвах всех природных комплексов в результате распашки и длительного использования почв в земледелии происходят изменения. Так, в автоморфных почвах тундры, северной и средней тайги резко убывающее распределение гумуса сменяется на постепенно убывающее за счет "разбавления" подстилки, при этом увеличивается растянутость гумусового профиля. В дерново-подзолистых и серых лесных почвах за счет "разбавления" подстилки или дернины контрастно выделяется пахотный горизонт, но мощность гумусового профиля сохраняется первоначальной, а характер рапределения гумуса ниже пахотного горизонта изменяется несущественно. Тенденция к незначительному снижению мощности гумусового профиля отмечается только у черноземов и в меньшей степени у каштановых почв.
При изучении потерь гумуса из почв за основу принималось сравнение аналитических данных, полученных для современных почв, с материалами исследования прошлых лет, в частности 20-30-х годов, когда широко изучались целинные почвы Западной Сибири (Горшенин, 1927, 1935; Винокуров, 1936). Данные о составе и запасах для пахотных и отчасти целинных почв использованы из более поздних монографических изданий (Гуськов, 1947; Горшенин, 1955; Почвы Алтайского края, 1959; Градобоев и др., 1960; Почвы Новосибирской области, 1966; Гаджиев, Овчинников, 1977; Хмелев, 1989; Каретин, 1990 и мн. др. источники).
Запасы гумуса в целинных почвах возрастают с севера на юг от глеевато-слабоподзолистых почв тундры до оподзоленных и выщелоченных черноземов с 40 до 400 т/га в метровой толще. Далее этот показатель снижается к обыкновенным и южным черноземам и еще большее его снижение отмечается в каштановых почвах - до 100 т/га (Табл. 1). Совершенно иная картина отмечается для пахотных и окультуренных почв. Под первыми понимаются длительно используемые в экстенсивном земледелии почвы, как правило, без систематического скомпенсированного применения органических и минеральных удобрений, под последними подразумеватся те почвы, которые постоянно в течение десятилетий получают повышенные дозы тех и других удобрений (30-100 т/га органических удобрений и дозы минеральных удобрений в зависимости от
Зона, почвы п Запас гумуса, т/га (над чертой - в целине, под чертой - в Использование Потери (-) или восполнение (+)
пашни, в всего За год
пахоте годах т/га % т/га %
Тундра Глеевато-слабоподзолистые 5 35.1 ± 3.1 121,8±19,6 20 +86,7 +250 +4,3 +12,5
Тайга Подзолистые 5 38.6±!.3 116,0±1,1 18 +77,4 +200 +4,3 +11,1
Дерново-сильноподзолистые южной тайги 7 84.9+3.2 81,5±2,9 60 -3,4 -4 -0,05 -0,07
То же окультуренные 5 160±11.6 60 +78,5 +88 +1,3 +1,50
Дерново-слабо- и среднеподзолистые 10 137.7+6.7 125,2±6,4 60 -12,5 -9 -0,20 -0,15
То же, окультуренные 5 172,5±7,5 60 +34,8 +25 +0,60 +0,43
Лесостепь Светло-серые лесные 9 227.6±б,2 194,4±7,8 100 -33,2 -14 -0,33 -0,14
Серые лесные 8 255.1±3.9 214,0±15,2 100 -41,1 -16 -0,41 -0,16
Темно-серые лесные 9 309.9±8.7 264,8±8,5 100 -45,9 -15 -0,46 -0,15
Черноземы:
оподзоленные 11 395.2±7.4 318,0±6,3 100 -77,2 -20 -0,77 -0,20
выщелоченные 10 379.5±13.1 293,0±8,5 100 86,5 -23 -0,86 -0,23
обыкновенные 9 356.8±11.5 280,9±17,1 100 -75,9 -21 -0,76 -0,21
Степь южные 5 143.6±10.7 123,0±9,0 100 -20,6 -14 -0,20 -0,20
Темно-каштановые 5 139.9+12.6 121,0±12,3 100 -18,9 -14 -0,19 -0,14
Каштановые 5 98.9+6.3 97,5±4,7 30 -104 -1,4 -0,04 -0,04
планируемого урожая). Это - почвы бывших в 30-40-е годы участков государственного сортоиспытания или же участки локального (очагового) земледелия, в которых запасы гумуса обычно на 10-15% выше, чем на соседних пахотных, а иногда и целинных участках.
Окультуренные почвы плакорных участков в тундре, северной и средней тайге хорошо отзываются на окультуривание: восполнение запасов гумуса в метровом слое составляет 190-250%. Менее отзывчивы на окультуривание сильноподзолистые почвы южной тайги: восполнение запасов гумуса составляет 88%, пахотные варианты которых, наоборот, показывают потери: 4% за 60 лет использования. Еще меньшее восполнение и большие потери у дерново-подзолистых окультуренных и пахотных почв соответственно. Небезынтересная закономерность прослеживается далее в направлении к югу: размер потерь возрастает до 23% у выщелоченного чернозема, далее к югу потери снижаются и достигают наименьшей величины (1,5%) у каштановых почв, вовлеченных в сельскохозяйственный оборот в 50-е годы. Состояние пахотных почв в настоящее время - это совокупный результат длительного антропогенного пресса, тем не менее эти данные в известной мере хотя и с определенной долей условности позволяют оценить масштаб экологических последствий, даже не принимая во внимание особенности систем земледелия в той или иной зоне. Наиболее пострадали от длительного использования черноземы оподзоленные, выщелоченные и обыкновенные, что казалось бы противоречит общепринятым представлениям о высокой устойчивости гумуса черноземов в целом.
Переходя к рассмотрению величины C/N - важнейшего генетического и агрономического показателя почв, следует упомянуть, что в соответствии с закономерностями распределения гумуса в автоморфно развивающихся почвах находится также и распределение азота, запасы которого в метровом слое целинных почв возрастают от 4-5 т/га в глеевато-слабоподзолистых почвах тундры до 30 т/га в оподзоленных и выщелоченных черноземах, далее к югу происходит плавное уменьшение до 7-10 т/га в каштановых почвах сухой степи (Кленов, 1981) Такую же закономерность можно проследить и на примере изменения биогенности почв, т.е. распределения микроорганизмов (Клевенская и др., 1970; Наплекова 1974). Наряду с повышением теплообеспеченности и понижением влагообеспеченности в направлении с севера на юг от тундры до центральной лесостепи от 5 до 130 ц/га возрастает доля опада, идущего на формирование гумуса, снижающаяся до 40 ц/га в сухой степи (Родин, Базилевич, 1965; Храмов, Валуцкий, 1977).
В целинных почвах обогащенность гумуса азотом (сужение C/N) повышается с севера на юг. Причина заметных различий C/N между северными и южными почвами рассмотренного ряда заключается скорее всего в химизме гумусообразователей и сочетании микробиохимических
процессов. Гумусообразователи в тундре и северо- и среднетаежной подзонах (мхи, лишайники, подстилки) обогащены азотом, видимо, не меньше, чем в почвах умеренно засушливых и засушливых зон: C/N согласно нашим подсчетам, полученным по литературным данным химического состава природных органических объектов (Ваксман, 1936; Тюрин, 1936; Кононова. 1963; Александрова, 1980; Гришина, 1986), достигает примерно 50. Этому благоприятствует особенности биологии лишайников, в частности, в слоевищах которых в значительной степени могут выделяться азотфиксаторы (Бабьева, Зенова, 1989). В степных злаках, под пологом которых формируются целинные каштановые почвы, показатель С/N колеблется в пределах 60-65 (Клевенская, Наплекова, 1968). Однако в сформировавшемся гумусе (Рис. 1) величина C/N в северных почвах лежит в пределах 14-18, а в южных почвах, например, каштановых - около 9, т.е. наиболее обедненные азотом источники дают гумус, наиболее обогащенный азотом. Если в тундровых ценозах Западной Сибири величину C/N стабилизируют преимущественно аммонификаторы, то в зоне каштановых почв данную величину определяют процессы целлюлозоразрушения, денитрификации и биологической фиксации N (Клевенская, Наплекова, 1968). Последний процесс, видимо, наиболее выражен на фоне других, в связи с чем бедные азотом гумусообразователи дают тем не менее обогащенный азотом гумус. В почвах умеренных и умеренно засушливых районов величина C/N, равная 1213 в дерново-подзолистых и серых лесных почвах и 10-11 в черноземах соответственно скорее всего определяется иным сочетанием микробиохимических процессов, не характерным ни для тундровой и таежной, ни для сухостепной зон.
Кривая C/N для пахотных почв имеет иной характер, поскольку длительное использование их в экстенсивном земледелии и в условиях интенсивного окультуривания в определенной степени меняет направленность микробиохимических процессов, свойственных целинным почвам, что в основном вызвано повышением аэробиоза, изменением характера гумусо-образователей в агроценозе. Внесение высоких доз (до 100 т/га) традиционных органических удобрений в почвы тундры, северной и средей тайги на примере участков очагового земледелия привело к значительному восполнению запасов гумуса и азота соответственно, что графически представляется выполаживанием кривой, вместе с тем подъем участка кривой для пахотных черноземов и каштановых почв после пересечения с кривой для целинных почв свидетельствует об истощении азотного фонда в процессе длительного экстенсивного использования этих почв. Данных, позволяющих оценить влияние высоких доз традиционных органических удобрений на гумусовый и азотный фонд черноземов и каштановых почв Западной Сибири, практически нет, но гипотетически вряд ли можно ожидать значи-
3 Заказ № 413
0 1 2 3 4 5 6 Рис. 1. Величина С/М
2 т
1.5
•0-о "2 и ! О
1
' б
0.5 4- а'
0 1 2 3 4 5 6 Рис. 2. Величина Сгк/Сфк
8 х
I
о §
о
100 т 80 60
40
о 3 ю о
20
0
0 1 2 3 4 5 6 7 Рис. 3. Подвижные и связанные кальцием ГК
Условные обозначения: а - целинные почвы, б - пахотные почвы.
1 - глеевато-слабоподзолистые почвы лесотундры, 2 - подзолы северной и средней тайги, 3 - дерново-подзолистые почвы, 4 - серые лесные почвы. 5 - оподзоленные и выщелоченные черноземы, 6 - обыкновенные черноземы, 7 - черноземы южные и каштановые почвы.
тельного обогащения почв южных зон азотом в связи с интенсивной минерализацией здесь любого органического материала. В частности, обобщение результатов длительных (30-50 лет) полевых опытов с удобрениями (Шарков, 1997) показало, что регулярное внесение оптимальной дозы навоза (7-10 т/га в год), обеспечивающей только получение запланированного урожая, не приводит к существенному увеличению гумуса, а всего лишь на 0,2%, и в случае применения только минеральных удобрений увеличение гумуса было еще меньше.Высокие дозы соломы (до 15 т/га), вызывающие увеличение содержания легкоминерализуемой фракции, также приводят к возрастанию интенсивности минерализации (Шарков, 1997). Возможно, подобное "сгорание" будет происходить и при внесении высоких доз навоза, рассчитываемых на восполнение запасов гумуса. По изменению СЛЧ можно заключить, что генетическая направленность почвообразовательного процесса в освоенных автоморфных почвах всех природных комплексов Западной Сибири не изменяется, она может в известной степени ослабевать.
Состав гумуса '
Наряду с запасами гумуса, а также величиной СЛЧ закономерно изменяется в зависимости от изменения биоклиматических показателей и состав гумуса, что наиболее отчетливо прослеживается на примере липидов, ГК, ФК и в особенности соотношения ГК и ФК. Количество липидов, достигающее 10-15% от общего С в почвах тундры, северной и средней тайги, снижается в почвах лесостепной зоны, например, в черноземах, до 4-6%, а в почвах сухой степи (каштановых) - до 2-3%, что находится в соответствии с изменением всех биоклиматических показателей, хотя по содержанию липидов гумусообразователи в различных природных комплексах варьируют не столь значительно - в пределах 10-20%. Беднее всего этой группой веществ лишайники, поэтому более высокое накопление липидов в северных почвах связано не столько с химизмом гумусообразователей и вооще высокой биологической их устойчивостью, сколько со слабой биологической активностью почв северных биоценозов при коротком периоде биологической активности. Кроме того анаэробиоз и кислая реакция среды способствуют консервации этих веществ. По мере изменения реакции почвенной среды от кислой к нейтральной и слабощелочной, что, несомненно, происходит в изученном ряду автоморфных почв от тундры до сухих степей, липиды, как известно, теряют устойчивость к биодеградации, поэтому начиная с дерново-подзолистых почв наблюдается снижение их содержания.
В пахотных и окультуренных почвах содержание липидов значительно снижается в связи с повышением аэробиоза, при котором возрастает участие широко распространенного среди различных групп микроорганизмов фермента липазы в распаде липидов на глицерин и жирные кислоты..
Повышенный аэробиоз в пахотных почвах способствует быстрой утилизации этих составляющих липидов и даже распаду последних вплоть до углекислоты, поэтому в длительно используемых почвах липиды не накапливаются.
Основная часть гумуса представлена гумусовыми кислотами (ГК и ФК) и гумином, т.е.веществами специфической природы. Наименьшее содержание ГК - 10-15% от органического С почвы - свойственно автоморф-ным почвам тундры, северной и средней тайги. (Кленов, 1981). Примерно одинаково участие ГК и ФК в составе гумуса дерново-подзолистых почв южной тайги, и нередко в серых лесных почвах (в пределах 30%), максимальное количество ГК наблюдается в выщелоченных и оподзоленных черноземах (около 40%), далее к югу содержание ГК вновь несколько снижается (до 30% в каштановых почвах). Наиболее информативным показателем является не количественное содержание ГК и ФК (пределы колебаний их в почвах умеренно увлажняемых и сухих районов,как правило, различаются нечетко), а их соотношение. Показатель Сгк/Сфк возрастает от 0,3-0,6 от глеевато-слабоподзолистых почв тундры и подзолов северной и средней тайги до 1,8-2,6 в оподзоленных и выщелоченных черноземах, далее к югу наблюдается его снижение до 1,5-1,8 в каштановых почва. Значение Сгк/Сфк в старопахотных почвах меньше, а в длительно окультуриваемых почвах больше, чем в соответствующих целинных аналогах. Более четко прослеживается закономерное изменение фракционного состава гумусовых кислот, в частности, кальциевых форм ГК, что четко увязывается с участием Са в биологическом круговороте.
Последствия антропогенного пресса на состав гумсуса в целом и на фракционный состав гумусовых кислот в особенности более наглядно могут быть иллюстрированы графически (Рис. 2, 3). Обращает внимание, что кривые Сгк/Сфк для пахотных (окультуренных) и целинных почв пересекаются примерно в тех же переходных по биоклиматическим условиях районах, что и кривые С/К Эти переходные районы соответствуют примерно подтаежной зоне или подзоне северной лесостепи. Наиболее существенно гуматность гумуса возрастает в окультуренных почвах северных подзон, далее, начиная с переходной подтаежной зоны, реакция на антропогенный пресс начинает изменяться в противоположном направлении, что проявляется в снижении его гуматности. Объясняется это отсутствием сбалансированного восполнения органического вещества за счет органических удобрений. Таким образом, увеличение аэробиоза , т.е. улучшение окислительной обстановки ведет к образованию ФК, которые являются по сравнению с ГК более окисленными соединиями (Орлов, 1974; 1990). Значит, любая система земледелия при максимальной обработке почвы, если даже и имеет положительные стороны, но не обеспечивает поддержание бездефицитного баланса гумуса, непременно ведет не только к потерям гумуса, но и к изменению его качества в сторону увеличения фульватности. Уменьшение
величины Сгк/Сфк в старопахотных почвах по сравнению с целинными их аналогами в целом происходит на фоне сохранения общей тенденции гуму-сообразования, вместе с тем свидетельствуя об ослаблении его интенсивности.
Распашка и длительное использование почв сопровождается также и изменениями фракционного состава гумусовых кислот, ГК в особенности. В целинных почвах от тундры к сухим степям происходит плавное снижение подвижных форм ГК (от 85 до 15% от общего содержания ГК в почве), тогда как закрепленные кальцием формы показывают обратную закономерность (зеркальное отражение в известной мере). Внесение повышенных доз органических удобрений в северных почвах несколько снижает подвижность ГК, а длительное экстенсивное использование, наоборот, повышает. Поведение ГК-Са при этом обнаруживает обратную тенденцию, изменение хода кривой ГК-Са (повышение в северных зонах и уменьшение в южных) также закономерно, поскольку при потере гумуса идет и потеря обменных катионов, с которыми связаны ГК-2 (ГК-Са).Примечательно, что пересечение кривых ГКподв и ГК-Са для целинных и пахотных почв происходит примерно в той же переходной подтаежной зоне, как и кривых С/Ы и Сгк/фк. Отсутствие полной идентичности этих кривых для целинных и пахотных почв свидетельствует о смещении процессов почво- и гумусооб-разования, но в целом тренд этих процессов сохраняется.
Совершенно никакой закономерности ни по литературным , ни по нашим данным не представляется возможным проследить на примере гу-минов, причем как во всем ряду изученных целинных, так и пахотных почв. С одной стороны это объясняется тем, что эта группа веществ определяется по разности между общим количеством органического С и суммой С выделенных групп и фракций, вследствие чего в группе гумина сосредоточиваются все систематические и случайные ошибки метода определения фракционно-группового состава гумуса. С другой стороны, противоречивые данные о содержании гумина даже в почвах, развивающихся в резко различающихся биоклиматических условиях, дают основание считать, что эта группа веществ по своей природе неодинакова во всех типах почв. Гу-мин может представлять собой как дегидратированную форму ГК, так и трудноразлагающиеся лигнифицированные вещества, Обе эти формы соединений не растворяются в ходе выполнения определения фракционно-группового состава гумуса. Двоякая природа гумина подтверждается радиоуглеродным его датированием (Чичагова, 1985 и мн.др.), гумин часто оказывается по возрасту моложе не только ГК, но и ФК, и, видимо, в зависимости от своей природы может уступать гумусовым кислотам по устойчивости. В освоенных почвах самое разнообразное сочетание гумусовых кислот и гумина объясняется тем, что органические удобрения в силу разнообразия биохимического состава обеспечивают самое различное восполнение баланса гумусовых соединений - от готовых новообразованных гу-
мусовых кислот в навозе и сапропеле, например, до лигнифицированного материала, преобладающего в соломе и торфе.
.Выщелоченные и обыкновенные черноземы, органическое вещество которых наиболее подробно рассмотрено в работе, по составу гумуса также вписываются в общую схему географических закономерностей гумусообразования, Распашка их и последующее использование в земледелии привели к следующим изменениям в составе гумуса: 1) Значительному снижению гуматности и возрастанию фульватности у черноземов выщелоченных и нескольку меньшему у черноземов обыкновенных. 2) Увеличению количества ГК, связанных с Са, преимущественно в средней и нижней частях гумусового профиля. 3) Накоплению подвижных ФК в нижней части гумусового профиля обоих подтипов.
Хорошо заметно, что усилившаяся минерализация в ходе длительного использования черноземов в условиях неорошаемого земледелия приводит к высвобождению Са. Последний участвует в реакциях обмена с упрощенными формами ГК и ФК, что приводит к инактивации гумуса. Об этом позволяет судить не только увеличение ГК-Са в нижней части гумусового профиля, в особенности у черноземов выщелоченных, но и некоторое увеличение в профиле ФК-Са и подвижных ГК, причем в составе последних могут быть и кальциевые формы, что было отмечено еще И.В.Тюриным (1965). Усиление фульватности свидетельствует о том, что образовавшиеся на промежуточной стадии минерализации ФК, которые представляют собой не только более окисленные, но и не полностью усредненные по сравнению с ГК формы гумусовых кислот, передвигаются в силу высокой растворимости и подвижности в нижнюю часть профиля.
Изменение состава гумуса при орошении почв
Высокое потенциальное плодородие черноземов и каштановых почв, а также их агропроизводственные возможности лимитируются недостаточной влагообеспеченностью. Для улучшения водного режима этих почв и создания на них массивов с повышенной устойчивой продуктивностью в последние два десятилетия применяется орошение с использованием местных вод - речных, подземных, а также пресных и слабоминерализованных.
Орошение черноземов выщелоченных Новосибирского Приобья на протяжении 12 лет слабоминерализованными (0,4-0,7 г/л при рН 7,8-8,2), которое наложилось на уже значительно измененный длительным использованием в богарном земледелии фон, приводит к дальнейшему расшатыванию всей системы гумусовых соединений. Прежде всего следует отметить возрастание при этом вдвое количества водно-растворимого гумуса - от 0,05 до 0,1 г/л (Зайцева и др., 1988). Снижение отношения
Сгк/Сфк при орошении является показателем дальнейшего изменения гумуса. Кроме того, орошение приводит к еще более активному связыванию ГК кальцием в верхней части гумусового профиля; при этом количество обменного Са увеличивается не только за счет усиления минерализации гумуса, но и за счет поступления его с поливными водами. По этой причине отмечается увеличение карбонатности в профиле примерно в 1,5 раза, кроме того, под влиянием орошения наблюдается рапределение железа по элювиально-аккумулятивному типу (Зайцева и др., 1988), а вместе с этим и накопление подвижных ФК в нижней части гумусового профиля. Однако исследование окислительно-
восстановительного режима и поведения подвижных форм окисного и закисного железа показало, что несмотря на усиление напряженности биохимических процессов, вызванное орошением, режим функционирования черноземов не вышел за рамки автоморфного развития.
Орошение каштановой почвы продолжительностью 13 лет, т.е. примерно такой же, как и чернозема выщелоченного, по данным Е.И.Ковалевой (1997), способствовало снижению гуматности гумуса и более растянутому распределению подвижных ГК. Судя по практически незаметным потерям гумуса за 13-летний период орошения, каштановые почвы в отличие от черноземов выщелоченных не реагируют на ирригационный пресс, а если принять во внимание изменение состава гумуса, то они приводят к перераспределению С по фракциям, в частности, к появлению подвижных ГК за счет поступления N3 со слабоминерализованньгми поливными водами, в которых около половины плотного остатка составляет сода, вызывающая миграцию новообразующихся ГК, которые через 20 лет отмечены даже на глубине 1 м.
Невзирая на благоприятное состояние природной обстановки для ирригационного освоения черноземов и каштановых почв орошение, как очевидно, тем не менее нарушает их экологический статус, о чем с известной долей условности можно судить по скорости уменьшения Сгк/Сфк Так, при ведении в течение 90 лет богарного земледелия Сгк/Сфк уменьшилось на 0,85, т.е. 0,008 единицы в среднем за год. В случае орошения это уменьшение (0,1 за 12 лет) также составило 0,008 единицы в среднем за год. Подобные расчеты для каштановой почвы, которая из 40 лет использования в земледелии в течение последних 13 лет находилась под влиянием орошения, а первые 27 лет нет, составляют 0,007 единицы в обоих случаях. Таким образом, темпы снижения Сгк/Сфк у каштановой почвы по сравнению с черноземом выщелоченным оказались несколько ниже, что формально может свидетельствовать о более высокой ее экологической устойчивости. Орошение, безусловно, более сильный деструктивный фактор по отношению к гумусовым кислотам, чем длительное экстенсивное земледелие, т. к. на протяжении более короткого
периода в условиях орошения (чуть более десятка лет) изменение основного показателя гумусового состояния происходило с такой же скоростью, как и на протяжении многих десятилетий экстенсивного использования почв без орошения.
Оценка потерь и восполнения углерода по фракционно-групповому составу гумуса
Приведенные данные (Табл. 2) указывают на состав потерь по группам и фракциям гумуса в метровой толще черноземов и каштановых почв. Так, в черноземе оподзоленном после его распашки и длительного использования потери преимущественно представлены группой ФК и гумином, т.е. разрушению подвергаются как самые неустойчивые, так и самые устойчивые группы соединений , а общие потери гумуса составляют 21%.
При длительном богарном использовании черноземов выщелоченных из метровой толщи их в значительной степени теряются ГК, в особенности фракции 2 и 3, и группа гумина, т.е. самые устойчивые фракции, что представляется неожиданным. Сказывается, видимо, негуминовая природа гуминов, в составе которых преобладают лигнифицированные остатки, которые в силу своей нустойчивости по сравнению с гуминами в обычном понимании и обусловливают в значительной степени общие потери С. ФК, наоборот, дают некоторое восполнение, более высокая устойчивость этой группы веществ даже по сравнению с гуминами также известна, что подтверждено многими данными о радиоуглеродном датировании компонентов почвенного гумуса. Общие потери С составляют 22% и вписываются в показанную ранее географическую закономерность потерь гумуса из почв Западной Сибири.
Орошение приводит к значительным потерям гумуса из профиля, которые составили 14% за 12 лет, при этом теряются гумины, ГК и ФК, а среди ГК более всего выделяются подвижные формы, что связано с периодически возникающим типом водного режима при орошении. Расчеты скорости потерь (в т/га и в % за год) указывают на то, что орошение значительно ускорило потери гумуса . Итак, за столетний период использования черноземов выщелоченных в богаре (90 лет) и под влиянием орошения (12 лет) из них потеряна 1/3 гумуса. Все потери, которые означают, что этой части гумусовых веществ в изученных почвах уже нет, включают, естественно, и потери за счет эрозии, протекающей на протяжении всего периода использования почвы и даже усиливающейся со временем. Два региона, по которым представилось возможным выделить долю потерь за счет эрозии, отличаются по степени выраженности последствий эрозии. Принимая во внимание, что в среднем в Присалаирье с черноземами оподзоленными и в Приобье с черноземами выщелоченными
Сравниваемые объекты и срок их использования в годах Запас С, т/га ГК ФК Гумин Сумма т/га Потери (-) и восполнение (+)
1 2 3 сумма сумма всего, % Гумус за год
т/га | %
Чернозем оподзоленный
Целина Богара 120 лет 229 180 -1.2 -2,0 +1.9 +4,0 -3.1 +4,0 -2.4 -5,0' -24.2 -49,0 -22.9 -46,0 -49.5 100 -21 -0,71 -0,18
Че онозем выщелоченный
Целина Богара 90 лет 156 121 +1.9 +5,4 -16,3 -46,7 -9.9 -28,3 -24.3 -69,9 +1.8 +5,1 -12.4 -35,5 -34.9 100 -22 -0,66 -0,22
Богара 90 лет Орошение 12 лет 121 104 -3.6 -21,7 -0.1 -0,6 -1.1 -6,6 -4.8 -28,9 -2.8 -16,9 -9.0 -54,9 -16.6 100 -14 -2,38 -1,17
Целина Богара 90 лет Орошение 12 лет 156 121 104 -1.7 -3,3 -16.4 -31,8 -11,0 -21,4 -29.1 -56,5 -1.0 -1,9 -21.4 -41,6 -51.5 100 -33 -0,89 -0,33
Че рнозем обыкновенный
Целина Богара 30 лет 212 171 -0.8 -2,0 -1.2 -2,9 -5.9 -14,4 -7.9 -19,3 +1.3 +3,2 -31.9 -77,8 -41.0 100 -19 -2,35 -0,63
Каштановая почва
Целина-богара (27 лег) 59.0 57.1 +0.2 +10,5 -1.6 -84,2 -0.5 -26,3 -1.9 -100 +0.6 +31,5 -0.6 -31,5 -1.9 100 -3,2 -0,12 -0,12
Богара-орошение (13 лет) 57,1 52,4 -0,2 -4,2 -1.1 -23,4 0 0 -1.3 -27,6 -3.1 -66,0 -0.3 -6,4 -4.7 100 -8,2 -0,62 -0,63
Целина-богара (27 лет) -орошение (13 лет) 59,0 52,4 0 0 -2.7 -40,9 -0,5 -7,6 -3.2 -48,5 -2.5 -37,9 -0.9 -13,6 -6.6 100 -11,2 -0,10 -0,28
Примечание: над чертой - т/га, под чертой - % от потерь
примерно 40% лет имеют нормальное увлажнение, а по 30% приходится на влажные и засушливые годы (Воронина, 1992), по данным, приведенным в работе А.А.Танасиенко и А.Ф.Путилина (1994), были рассчитаны средние размеры выноса углерода с талыми водами и с твердой фазой. Оказалось, что потери за счет эрозии из чернозема оподзоленного сотавляют 1/3, а из черноземы выщелоченного 2/3 от общих потерь С (гумуса). Эти расчеты согласуются с заключением вышеупомянутых авторов, что по степени проявления эрозии Приобье классифицируется по сравнению с Присалаирьем как район, отличающийся на одну градацию по экологической опасности (сильно- и среднеопасный соответственно).
Пример с черноземом обыкновенным свидетельствует, что при втрое меньшем сроке использования данной почвы по сравнению с черноземом выщелоченным скорость потерь гумуса в абсолютных и относительных величинах оказывется в три раза большей. Вместе с тем обращает внимание факт, что общие потери из всех трех изученных подтипов черноземов колеблются в пределах 20%. Если два первых подтипа , используемых в среднем в течение столетия считать условно как почвы с установившимся равновесным состоянием, то можно сделать заключение, что основные потери гумуса из черноземов Западной Сибири в условиях длительного использования их в пашне происходят в первые три десятилетия.
Последствия использования каштановой поочвы в богарном и орошаемом земледелии сводятся к потере 1/10 запасов гумуса, причем и в этом случае орошение проявляется как наиболее сильный деструктивный фактор, т.к. скорость потерь гумуса возросла в 5 раз: 0,6 против 0,12 т/га в год.
Резюмируя данные о потерях гумуса из черноземов и каштановых почв, следует отметить, что экологическая устойчивость первых меньше, чем вторых. Об этом свидетельствуют не столько размеры потерь устойчивых групп и фракций, в частности, гуминов, сколько относительные потери под влиянием орошения. Так, за период орошения почти одинаковой продолжительности относительная скрость потерь гумуса из каштановой почвы вдвое ниже, чем из чернозема выщелоченного - 0,63 и 1,17% в год соответственно. Более высокая экологическая устойчивость гумуса в каштановой почве по сравнению с черноземом еще сильнее подтверждается данными абсолютных потерь его, которые составляют в этих почвах 0,6 и 2,4 т/га в год соответственно. Таким образом, орошение представляет по отношению к гумусу более сильный десруктивный фактор, нежели длительное использование почв в условиях богары.
СТРУКТУРНО-ФУНКЦИОНАЛЬНОЕ СОСТОЯНИЕ ГУМУСОВЫХ кислот
Элементный состав
Элементный состав гумусовых кислот - идентификационная характеристика, используемая не только для оценки их как особого класса органических соединений, но и в связи с интерпретацией генезиса почв. Изменение этого показателя в почвах, так или иначе испытавших воздействие антропогенной нагрузки, позволяет судить о степени нарушенное™ природы гумусовых кислот и, следовательно, экологической их устойчивости.
Содержание элементов в массовых долях для ГК всех изученных автоморфных почв Западной Сибири колеблется в пределах: С от 40 до 60%, Н от 3,5 до 5,5%, N от 3,0 до 5,0%, О от 32 до 42%, что в целом свойственно этой группе соединений. Однако оценка результатов в массовых % оказывается малоинформативной, более показательны атомные отношения элементов и прежде всего Н/С: в дерново-подзолистых и серых лесных почвах Н/С ГК около 1, а в черноземах и каштановых почвах значительно меньше 1, что служит формальным доказательством более высокой степени конденсированности ГК в почвах, развивающихся в биоклиматических условиях, оцениваемых значением гидротермического коэффициента (К), по Н.Н.Иванову менее 1. Именно переходная широтная зона , т.е. подтайга и отчасти лесостепь и южная тайга , где К около 1,служат тем барьером, где преломляются все показатели гумусового состояния почв и показатели структурно-функционального состояния гумусовых кислот, в особенности ГК как наиболее устойчивых по сравнению с ФК соединениями. Переходная зона служит также и пределом разделения ГК по таким свойствам, как степень бензоидности (СБ): при К более 1 СБ их менее 30%, а при К менее 1 она более 30%, что находится в соответствии с изменением к северу и к югу от переходной зоны всех факторов гумусообразования. Следует упомянуть, что по СБ ГК целинных автоморфных почв зонально-генетического ряда в Западной Сибири, как в Европейской части России (Орлов, 1990; Багаутдинов, 1997) различаются только на типовом уровне. Наиболее важным обстоятельством является то, что СБ чувствительна к наложению на почвы антропогенной нагрузки, что убедительно подтверждено на примере изменения ее в ГК черноземов и каштановых почв Поволжья, орошаемых более полстолетия (Орлов и др., 1987; Орлов, 1990), где скорость приращения СБ составляет около 0,5 % в среднем за год. В Западной Сибири при орошении черноземов выщелоченных приращение СБ в ГК не превышает 0,2%, что связано, видимо, с более коротким периодом ирригационного воздействия на эти почвы. Кроме того, заслуживает внимания факт, что в течение даже краткосрочного периода орошения (12 лет) СБ ГК в черноземах
выщелоченных возрастает почти вдвое (0,10 против 0,17%), что вновь указывает на более деструктивное воздействие орошения на ГК по сравнению с экстенсивным земледелием. Относительно изменения степени бензоидности в используемых в богарном земледелии черноземах можно отметить, что в выщелоченных их подтипах она оказалась ниже в два раза, чем в обыкновенных, хотя период использования последних втрое короче, чем первых. Значит, основные структурные изменения ГК претерпевают в первые три десятилетия.
Минерализация гумуса по существу представляет собой медленно протекающее горение, поскольку конечные газообразные продукты в обоих процессах одинаковы. Одним из промежуточных продуктов такого процесса является образование "пироморфного" гумуса, ГК которого отличаются повышенной СБ. В частности, установлено, что после лесного пожара, а также в результате моделирования искусственного возгорания в "пироморфном" гумусе вдвое сократилось количество липидов, ГК, ФК и гумина (Almendros et al., 1988, 1990). Вместе с тем в ГК и ФК значительно возросло содержание С и сильно снизилось содержание Н, а СБ, по нашим подсчетам по модифицированной формуле Д. Ван-Кревелена, увеличилась от 15 до 60%. Допуская такую величину СБ как предельную и принимая во внимание установленную нами скорость приращения ее, можно гипотетически рассчитать, что превращение ГК в инертный необеспечивающий плодородие почв субстрат, может наступить в серых лесных почвах Западной Сибири примерно через 200 лет, в неорошаемых черноземах - через 120-150 лет, в случае продолжения орошения на уровне существующей технологии такие последствия могут оказаться реальными через 60 лет - вполне обозримого отрезка времени.
Элементный состав ФК колеблется в пределах, характерных для этой группы соединений. Атомные отношения Н/С у ФК значительно больше 1,0, что является формальным доказательством преобладания в этой группе веществ алифатических структур и меньшей степени их полимеризации по сравнению с ГК. Высокая их растворимость и подвижность в широком диапазоне рН почвенной среды является основной причиной отсутствия закономерностей в элементном составе независимо от типа почв. Более четко ФК в целинных почвах Западной Сибири отличаются по содержанию азота: наиболее бедны им ФК дерново-подзолистых почв (C/N в пределах 20 и шире), в серых лесных почвах участие N в структуре молекул проявляется сильнее (C/N снижается до 1315), в черноземах и каштановых почвах C/N в ФК не превышает 15-17. Различная обогащенность ФК в почвах разных природных комплексов объясняется неодинаковым сочетанием процессов аммонификации, нитрификации и азотфиксации, ответственных за круговорот азота. Распашка почв и последующее длительное их использование в земледелии всех широтных зон приводит к потере азота из ФК, о чем свидетельствует увеличение C/N
до 22. Особенно быстро ФК теряют N при орошении: например в целинном варианте выщелоченного чернозема С/Ы составляет 16, в старопахотном -20, а в орошаемом - уже 25-27. В условиях орошения, видимо, активизируется окислительное и, особенности, гидролитическое дезаминирование, и микроорганизмы, использующие азот в качестве основного источника питания из-за отсутствия восполнения органического вещества, начинают утилизировать его из гумусовых кислот, из ФК прежде всего как более простых и быстрее обновляющихся по сравнению с ГК соединений.
Рис. 4. Диаграмма мольных отношений И/С - О/С гумусовых веществ
Пояснение к рисунку: Почвы Западной Сибири: а - ГК дерново-подзолистых почв; б - ГК серых лесных почв; в - ГК! целинных черноземов; г - ГК длительно используемых неорошаемых и орошаемых черноземов; д - ГК второго гумусового горизонта дерново-подзолистых почв; е - ФК различных почв; ж - линиды различных почв.
ГК почв Европейской части России (Тшценко, Рыдалевская, 1936): 1 -подзолистая; 2 - торфяно-болотная; 3 - рендзина; 4 - деградированный чернозем; 5 - мощный чернозем; 6 - каштановая.
-СН3 - деметилирование, -С02 - декарбоксилирование, -Н20 - дегидратация.
Наиболее исчерпывающую информацию о преобразовании гумусовых веществ в природных условиях и под влиянием антропогенного пресса дает графико-статистическое представление их по Д.Ван-Кревелену. Этот метод обстоятельно отработан на гумусовых кислотах почв и дает вполне четкие представаления о направлении процессов трансформации в особенности ГК, развивающихся в резко различающихся биоклиматических условиях (Орлов, 1974, 1990). В координатах Н/С - О/С (Рис. 4) нанесены все опубликованные по Западной Сибири результаты элементного анализа не-
25
которых гумусовых веществ. В частности, высокоуглеродные безазотистые липиды из всех почв наглядно вписываются в диаграмму мольных отношений Н/С — О/С как соединения почвенного гумуса, более всего обогащенные метальными группами и занимающие поэтому на диаграмме особое место. Для сравнения приведены также результаты элементного анализа ГК из работы В.В.Тищенко и М.Д.Рыдалевской (1936), полученных авторами для сопряженного ряда почв (от подзолистой до каштановой) Европейской части России. Последовательное уменьшение Н/С и соответствующее возрастание в этом ряду от 10 до 45% СБ четко доказывает усложнение строения молекул ГК за счет усиления реакции дегидратации при возрастающей с севера на юг сухости климата. Хотя оконтуренные участки получены не на очень обширном материале по Западной Сибири (всего около 70 точек), тем не менее можно отметить, что гумусовые кислоты графико-статистически вписываются в схему географических закономерностей гу-мусообразования. "Облако" точек для ГК целинных черноземов указывает на то, что ГК незатронутых антропогенным воздействием черноземов представляют собой наиболее дегидратированные и деметилированные формы органических соединений.
В результате распашки и длительного использования как в орошаемом, так и неорошаемом земледелии (все точки вошли в один контур) ГК этих почв становятся более деметилированными и дегидратированными. Графически это выражается смещением контура вниз.
При переходе от черноземов к серым лесным почвам преобразование ГК характеризуется усилением реакции гидратации. Эта тенденция еще сильнее проявляется далее, у серых лесных и дерново-подзолистых почв, элементный состав ГК которых колеблется в более широких пределах, чем у черноземов, что подчеркивается большей площадью контура. Вместе с тем следует упомянуть, что не соответствующие по своему химизму и возрасту современной биоклиматической обстановке южной тайги ГК дерново-подзолистых почв со вторым гумусовым горизонтом выделяются также особо и графико-статисгически.
ФК характеризуются сильно размытым контуром, в который вписались все точки, относящиеся как к целинным, так и пахотным вариантам изученных почв. Такой факт, видимо, вполне справедлив, поскольку одинаковость большинства свойств ФК даже в различающихся резко по генезису почвах подтверждена длительным мировым опытом изучения их. Графико-статистическая интерпретация элементного состава ФК позволяет подтвердить большую их гидратированность и карбоксилированность по сравнению с ГК.
Оптические и коагулирующие свойства гумусовых кислот
На примере целинных и пахотных вариантов автоморфных почв показано, что более высокие значения коэффициента цветности (величины Е4/Е6) свойственны более подвижным формам ГК, которые по этому показателю приближаются к ФК в целом. Относительно изменения оптических свойств в связи с распашкой и использованием черноземов выщелоченных и обыкновенных необходимо отметить, что показатель Е4/Е6 у 2-й фракции ГК изменился от 3,5 в целинном варианте до 4,0 в пахотном. Под влиянием орошения у черноземов выщелоченных изменения этого показателя пошли дальше - до 4,5. Эти данные наряду с изменением СБ также подтверждают, что под влиянием антропогенного воздействия структурные изменения ГК идут в направлении потери алифатической части их молекул. Антропогенное воздействие отражается также и на коагуляционной способности ГК: наибольшее снижение порога коагуляции, на 3-4 единицы, отмечено у 1-й и 2-й фракций их в результате длительного использования неорошаемых и орошаемых черноземов.
Кислые функциональные группы
Общее количество кислых функциональных групп в гумусовых кислотах всех почв Западной Сибири, высокое: 600-900 для ГК и в пределах и даже более 1000 мг-экв/100 сухого беззольного вещества для ФК. Основная доля их падает на карбоксилы, что предопределяет высокую емкость катионного обмена гумусовых кислот. Оценка степени проявления антропогенного влияния на изменение количественного и качественного содержания кислых групп представляется в известной степени проблематичной, поскольку данные в этом аспекте немногочисленны не только по Западной Сибири, но и по другим регионам мира.Сильное изменение функциональных свойств отмечено за период 50-летнего орошения черноземов обыкновенных и каштановых почв Нижнего Поволжья (Околелова, 1985). Эти изменения идут в направлении некоторого снижения общего их количества и перераспределения -возрастания гидроксилов и уменьшения карбоксилов. Наши данные по черноземам выщелоченным и обыкновенным оказались информативными лишь на уровне оценки содержания карбоксилов. Например, в используемых в течение 100 лет серых лесных почвах и черноземах ГК и ФК претерпевают одинаковые изменения емкости катионного обмена, уменьшающейся на 0,3-0,4 мг-экв в среднем за год. Однако в обыкновенном черноземе, срок использования которого по сравнению с вышеупомянутыми почвами втрое короче, скорость уменьшения емкости обмена оказалась в 4 раза выше у ГК и в 6 раз у ФК. Как и в случае
изменения скорости потерь запасов гумуса и СБ, в данном случае проявляется та же закономерность: сравнительно недавно освоенные почвы отличаются максимальными скоростями изменения гумусового состояния и структурно-функциональных свойств гумусовых кислот.
Гидролизуемость гумусовых кислот
Устойчивость гумусовых кислот к гидролизу под действием минеральных кислот (гидролизуемость) заметно изменяется к северу и югу от переходной зоны, где условия гумусообразования оцениваются К=1. Например, в серых лесных и дерново-подзолистых почвах от действия минеральных кислот теряется (переходит в гидролизат) более 30% массы гумусовых кислот, а черноземах и особенно каштановых - значительно меньше. Особенно заметное снижение гидролизуемости ГК произошло за 100 лет после освоения в черноземах выщелоченных Новосибирского Приобья (с 28 до 17%), немаловажную роль при этом сыграло орошение, что указывает на значительное разрушение алифатической части их молекул.
Гидролиз гумусовых кислот поливной водой проведен по довольно простой схеме (Рис. 5). В процессе проведения гидролиза установлено, что на первой стадии (после первой обработки поливной водой) ГК-1 почти на 80% переходят в гидролизат, а ГК-2 - в пределах 60-70%. После 2-й обработки остатка препарата гидролизовалось не более 20% его, а после 3-й - в пределах 9%, т.е. скорость гидролиза замедляется со временем, но сам процесс гидролиза, судя по сохраняющемуся окрашиванию гидролизата, видимо, продолжается. Концентрация таких растворов оказалась в 3-4 раза выше, чем в дистиллированной более кислой воде, что вполне закономерно, т.к. в кислой среде ГК более устойчивы, чем в щелочной. Гидролизуемость снижается в ряду : целина - пашня - орошаемый участок, причем наиболее четко у ГК-2, чем у ГК-1. Значит, в алифатической части последних находится больше белковых, углеводных и фульвокислотных составляющих. Более высокая гидролизуемость ГК из целинной почвы, чем из почв, находящихся в пашне или под орошением объясняется тем, что в условиях длительного использования почв гидролизуемые составляющие ГК уже минерализовались и не восстановились при существующей системе землепользования.
КРИТЕРИИ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ УСТОЙЧИВОСТИ ГУМУСА И ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ ЕГО ПОТЕРЬ ИЗ ПАХОТНЫХ ПОЧВ
В изученном ряду автоморфных почв по потерям гумуса установлено, что наиболее всего от распашки и длительного использования
Рис. 5. Схема гидролиза ГК поливной водой
пострадали черноземы, что должно навести на мысль о том, что это -наименее экологически устойчивые почвы. В действительности же оказывается, что размер потерь гумуса из почв - функция содержания его в почвах: чем больше в почвах гумуса, тем больше его потери, т.е. и в этом случае отражаются географические закономерности гумусообразования. Таким образом, размер потерь не может служить критерием экологической его устойчивости. Вместе с тем увеличение потерь от каштауых почв к черноземам южным и далее к обыкновенным, установленное на примере использования этих почв в богаре в течение одинакового периода (30 лет), позволяет судить об ослаблении экологической устойчивости гумуса в направлении с юга на север. В пользу этого свидетельствуют также факты повышения в этом же направлении отзывчивости почв на окультуривание с применением высоких повышенных доз органических удобрений. Севернее переходной подтаежной зоны повышенные дозы органических удобрений обеспечивают восполнение гумуса с достижением или превышением целинного уровня, а южнее ее достижение целинного уровня не происходит.
Об относительной устойчивости гумуса более определенно можно судить скорее всего по скорости изменения во времени его других основных устойчивых генетических показателей, а также стркутурно-функциональных показателей гумусовых кислот. Изменение в зависимости от антропогенного воздействия в единицу времени величин С/И, Сгк/Сфк, СБ ГК, а также емкости катионного обмена и устойчивости их к кислотному гидролизу позволило установить, что экологическая устойчивость гумуса в целом уменьшается в направлении с севера на юг, а переходный природный комплекс, условия гумусообразования в котором оцениваются К=1, служит широтным барьером резкого разделения этих критериев.
Данные об изменении показателей гумусового состояния пахотных несистематически и ненормированно удобряемых и окультуренных сильноудобряемых почв также показали тенденцию снижения экологической устойчивости гумуса в направлении с юга на север.
Известно, что в естественных сложившихся ценозах с "нулевым" антропогенным вмешательством в почвы ежегодно поступает строго определенное количество органического материала, в результате минерализации и гумификации которого обеспечивается стабильный уровень гумуса. В нарушенных распашкой ценозах создается новый, как правило, более низкий уровень гумуса, стабилизация которого может длиться десятилетиями. Судя по значительным потерям гумуса, теоретически для восстановления запасов его в гумусовом профиле почв агроценозов до целинного уровня нужно вносить, по крайней мере, не меньшие количества органического материала, чем поступает в естественных ценозах с опадом. Исходя из этого, а также эквивалентного
содержания С в различных органических мелиорантах, для восстановления гумусового уровня требуется вносить каждые 5-6 лет (учитывая степень минерализации и гумификации) 500-800 т/га традиционных органических удобрений (навоза, торфа), что, естественно, не представляется реальным даже при наличии этих мелиорантов в таких масштабах. Такие дозы нецелесообразны не только в хозяйственно-экономическом отношении, но и в биосферном, поскольку минерализуясь, например, в лесостепной и степной зонах уже в первый год более чем на 50%, эти удобрения внесут дисбаланс углекислоты в атмосфере. С другой стороны, вряд ли целесообразно восстанавливать исходное содержание гумуса при дефиците органических и минеральных удобрений, тем более, как твердо сейчас установлено, применение их только под планируемый урожай, для чего требуются также немалые дозы, не обеспечивает накопления гумуса в почвах (Эндрюс, 1959; Шарков, 1997). Представляется целесообразным, таким образом, использовать органические удобрения как из расчета предотвращения дальнейших потерь гумуса, принимая при этом во внимание сложившиеся к настоящему времени ежегодные темпы его потерь, так и из расчета на планируемый урожай.
С учетом скоростей потерь гумуса из почв и углеродного эквивалента различных органических удобрений, т.е.содержания С в единице веса органического мелиоранта, расчетные ежегодные дозы традиционных органических удобрений для поддержания современного гумусового уровня (без учета доз на планируемый урожай культур) составляют 2-3 т/га для дерново-подзолистых почв, 3,5-5,0 т/га - для серых лесных почв, около 7 т/га - для черноземов оподзоленных, выщелоченных и обыкновенных, для черноземов южных и каштановых почв эти дозы соответственно снижаются до 3,0 и 1,5 т/га. Дозы других материалов (опилки, короминералыгьге компосты, торф, сапропели) в зависимости от местных экономических возможностей могут быть подобраны с учетом их эквивалентности по углероду.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
При вовлечении почв в сельскохозяйственный оборот система гумусовых веществ, как показали проведенные исследования, теряет исходную устойчивость и выходит на новый, соответствующий новым экологическим условиям, стационарный уровень.Выход на новый уровень происходит в течение нескольких десятилетий и сопровождается изменением не только общего количества гумусовых компонентов, но и их природы в целом. В составе общих потерь гумуса, составляющих, например, в длительно используемых черноземах более четверти всех его запасов, чаще всего преобладают устойчивые группы и фракции. Наиболее выраженные структурно-функциональные изменения, диагенез, отмечаются
при сегодняшней системе землепользования у гумусовых кислот, в особенности у ГК - потеря алифатической части и, в частности, азотсодержащих ее компонентов, повышение СБ и снижение емкости обмена , что может стать причиной серьезных экологических последствий, т.е. превращения гумуса в инертный субстрат. Постоянное ослабление новообразования гумуса в связи с дефицитом гумусообразователей предопределяет острую необходимость предотвращения дальнейших потерь его, поскольку полное восстановление исходного содержания гумуса нецелесообразно в биосферном и хозяйственно-экономическом отношении. Применение альтернативных органических материалов из расчета установившихся к настоящему времени потерь гумуса из почв более реально и осуществимо в каждой зоне. Дополнительные дозы органических и минеральных удобрений следует вносить из расчета на планируемый урожай, при этом в случае органических мелиорантов необходимо учитывать свойства, которые могут обеспечить восстановление алифатической и поддержание ароматической частей гумусовых кислот.
ВЫВОДЫ
1. Качественные изменения гумуса проявляются географически закономерно не только в соотношении гуминовых кислот (ГК) и фульвокислот (ФК), но и в изменении распрелделения преобладающих их фракций. От тундры к сухим степям содержание подвижных ГК изменяется от 85 до 10% от общего их количества в гумусовом горизонте, в распределении же ГК-Са обнаруживается противоположная тенденция, находящаяся в строгой зависимости от участия обменного и карбонатного Са в биологическом круговороте.
2. Биоклиматические зоны, условия формирования почвенного покрова в которых оцениваются гидротермическим коэффициентом (К), равным 1, т.е. подтайга и северная лесостепь, скорее всего являются именно тем барьером, на котором происходит разграничение основных показателей гумусового состояния почв и структурных особенностей ГК как целинных, так и длительно используемых пахотных почв. В частности, при графической интерпретации устойчивых генетических показателей гумусового состояния почв, а также при сравнительной оценке параметров гумусовых кислот оказалось, что к северу от переходной зоны, т.е. с увеличением К возрастает фульватность гумуса и снижается содержание в нем И, а в ГК снижается содержание С и степень конденсации их молекул. К югу от переходной зоны, т.е. с уменьшением К все вышеуказанные изменения идут в противоположном направлении, т.е. фульватность гумуса снижается и возрастает содержание N в нем, а в ГК возрастает содержание С и степень конденсации их молекул.
3. Степень бензондности (СБ) ГК - показатель, чувствительный только на уровне типовой принадлежности почв. Другие показатели структурно-функционального состояния ГК (коэффициент цветности, порог коагуляции, емкость катионного обмена), также различающиеся в зависимости от типа почв, являются дополнительными характеристиками для оценки изменения степени конденсации этих природных органических соединений, размера их молекул и молекулярной массы, а также количества двойных сопряженных связей. Гидротермические условия формирования почв, оцениваемые К=1, служат критерием разделения ГК на экологически устойчивые и экологически неустойчивые: при К более 1 СБ ГК менее 30%, а гидролизуемость (разрушаемость) при действии минеральных кислот более 30%, при К менее 1 СБ ГК более 30%, а гидролизуемость меньше 30%.
4. ФК по всем характеристикам (элементному составу, оптической плотности, емкости катионного обмена, гидролизуемости) не различаются в зависимости от типа почв. Являясь как продуктом деструкции ГК, так и структурными единицами для синтеза ГК, они, в зависимости от типа почвообразования, отличаются лишь количественным накоплением в пределах почвенного профиля: максимальным - в условиях кислой реакции среды и минимальным - в условиях нейтральной и щелочной.
5. Освоение и последующее длительное использование в пашне значительно изменяет экологический статус почв. Потери гумуса из неудобряемых и несистематически удобряемых почв, снижающиеся от черноземов выщелоченных к югу к каштановым почвам и к северу к подзолистым, также отражают географические закономерности гумусонакопления, т.е. потери гумуса из почв пропорциональны его содержанию в почве, и поэтому не являются критерием для сравнительной оценки относительной экологической устойчивости гумуса в целом, такую
(Шным потерь гумуса из почв с одинаковым сро-высокая отзывчивость почв на окультуривание с применением высоких доз органических удобрений, возрастающая в направлении с юга на север, особенно при К более 1, служит критерием снижения экологической устойчивости гумуса и почв в этом же направлении.
6. Потери гумуса при экстенсивном использовании почв и восполнение его при интенсивных зональных системах земледелия наряду с соответствующими изменениями показателей его качества (Сгк/Сфк, С/И) в значительной степени служат индикатором частичного изменения направленности процесса современного гумусообразования при сохранении в любом случае его общего тренда.Максимальные потери гумуса и его устойчивых форм из черноземов, достигающие более 1/4 общих запасов в почвенном профиле, происходят преимущественно в первые три десятилетия после введения их в сельскохозяйственный оборот. Данный
оценку можно давать по дак испслРь ¿^еи-шТ* ком их^^Нместе^с тем выа
период не является предельным для установления равновесного содержания гумуса на новом экологическом уровне.
7. Изменение структурно-функционального состояния гумусовых кислот, в особенности ГК, проявляющееся в усилении их СБ в условиях длительного использования почв в пашне (особенно под влиянием орошения) приводит к снижению их физиологической активности и биопротекторной функции за счет потери алифатических структур. Продолжение ведения земледелия на сегодняшнем технологическом уровне может привести к серезным экологическим последствиям - превращению гумуса в инертный субстрат, что может наступить при неизменной технологии полива в орошаемых черноземах через 60 лет.
8. Значительные потери запасов гумуса, а вместе с ним и элементов питания растений (N1, Р, Б ), а также изменение качества гумуса, имеющие место во всех природных комплексах Западной Сибири, в особенности в районах наиболее интенсивного земледельческого освоения, могут быть предотвращены за счет применения сравнительно невысоких доз органических удобрений, при этом дозы на планируемый урожай культур должны рассчитываться отдельно. Источники органических материалов для улучшения экологического статуса гумуса довольно разнообразны и использование их зависит от местных географических и экономических, возможностей. При этом необходимо принимать во внимание обогащенность того или иного органического мелиоранта лигнином, целлюлозой, а также новообразованными гумусовыми веществами. Сочетание различных постоянно вносимых органических мелиорантов даже с незначительными дозами традиционного органического удобрения позволит предотвратить дальнейшие потери устойчивых фракций гумуса. Мелиоранты же, содержащие повышенные количества гумусоподобньгх веществ с упрощенной алифатической структурой (сапропели, гумифицированные опилки, вермикомпосты, коро-минеральньге компоста, биомасса сидератов), будут способствовать поддержанию катионообменных свойств всей системы гумусовых соединений.
ОСНОВНЫЕ РАБОТЫ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
Монографии
Кленов Б.М., Корсунова Т.М. Гумус некоторых типов почв Западной Сибири. - Новосибирск: Наука, Сиб. отд-ние,1976. - 158 с.
Кленов Б.М. Гумус почв Западной Сибири. - М.: Наука, 1981. - 144
с.
Азьмука Т.Н., Бахнов В.К., Волковинцер В.И. и др. Почвы Баргу-зинской котловины. - Новосибирск: Наука, 1983. - 270 с.
Волковинцер В.И., Копосов Г.Ф., Гладков A.A. и др. Почвенные ресурсы сельскохозяйственного назначения (Восточная Сибирь и Дальний Восток). - Новосибирск: Наука, 1989. - 208 с.
Панфилов В.П., Слесарев И.В., Сеньков A.A. и др. Черноземы: свойства и особенности орошения. - Новосибирск: Наука, 1989. - 256 с.
Научные статьи
Кленов Б.М. К вопросу о природе органического вещества некоторых типов почв Горного Алтая //Докл. Сибирских почвоведов к IX Между-нар. конгр. Почвоведов. - Новосибирск, 1968. С. 122-140.
Кленов Б.М. Гумус вторичноподзолистых почв Томской области // Генетические особенности и вопросы плодородия почв Западной Сибири. -Новосибирск: Наука, Сиб. отд-ние, 1972. - С. 86-92.
Кленов Б.М. Распределение азота по некоторым фракциям органического вещества дерново-вторичноподзолистых почв //Изв. Сиб. отд. АН СССР. Сер. биол. наук. - 1971. -Вып. 1. - N5. -С.11-15.
Кленов Б.М. Элементный состав гумусовых кислот дерново-вторичноподзолистых почв //Изв. Сиб. отд. АН СССР. Сер. биол. наук. -1971. -Вып. 3. -N 15. - С. 15-22.
Ковалев Р.В., Кленов Б.М., Арсланов Х.А. Вопросы радиоуглеродного датирования органического вещества дерново-вторичноподзолистых почв Томского Приобья //Изв. Сиб. отд. АН СССР. - 1972. - Вып. 3. - N15. -С. 6-10.
Клевенская И.Л., Кленов Б.М. Рост и азотфиксация некоторых оли-гонитрофилов на гуминовых и фульвокислотах // Изв. Сиб. отд. АН СССР. - 1972. - Вып. 3. -N 15. С. 127-129.
Кленов Б.М. Природа органического вещества дерново-подзолистых почв со вторым гумусовым горизонтом Томского Приобья: Автореф. дис.... канд. биол. наук.-Новосибирск, 1972. -24 с.
Кленов Б.М. Особенности гумуса южнотаежных почв Западной Сибири // Гумус и его роль в почвообразовании и плодородии почв. Тез. докл.-Л.: 1973.-С.47.
Наплекова H.H., Кленов Б.М. Влияние растительных остатков на процесс гумификации в почвах //Изв. Сиб. отд. АН СССР. Сер биол. наук. -1976.-Вып. 1. - С.26-32.
Гаджиев И.М., Кленов Б.М. О дерново-подзолистых почвах со вторым гумусовым горизонтом Свердловской области // Генезис и география почв Сибири. - Новосибирск: Наука, Сиб. отд-ние. 1976. - С. 32-47.
Наплекова H.H., Гаджиев И.М., Кленов Б.М. Микробиологические процессы в почвах южной тайги Западной Сибири // Микробиологические ассоциации и их функционирование в почвах Западной Сибири. - Новосибирск: Наука, Сиб. отд-ние, 1979. - С. 3-21.
Кленов Б.М. Элементный состав гуминовых кислот почв Северного Прибайкалья //Изв. Сиб. отд. АН СССР. Сер. биол. наук. - 1983. - N 3. С. 27-31. 36
Кленов Б.М., Морозков B.K. Определение азота органических соединений с помощью анализатора CHN-1 // Современные методы физико-химических исследований и химико-аналитического контроля в сельском хозяйстве. Тез. докл. К 1-1 Межвузовской конф. - Тюмень, 1984. - С. 23.
Трубецкая А.П., Грибский A.A., Кленов Б.М. Генетические и мелиоративные особенности черноземов Петропавловского Приишимья // Мелиорация земель Сибири (Научные основы использования и охраны земельных ресурсов Сибири). - Красноярск, 1984. - С. 116-119.
Кленов Б.М. Гумус почв Северного Прибайкалья // Почвоведение. -1984,-N4.-С. 33-43.
Кленов Б.М., Волковинцер В.И. Особенности гумусообразования в крайней восточной части зоны БАМ // Тез. докл. VI съезда ВОП. - Ташкент, 1985.-Ч. 2.-С. 18-19.
Зайцева Т.Ф., Копосов Г.Ф., Морозков В.К., Кленов Б.М. Гумусное состояние черноземов Приобья // Проблемы гумуса в земледелии. Тез докл.
- Новосибирск, 1986. - С. 49.
Кленов Б.М., Копосов Г.Ф., Гладков A.A. Гумусообразование в почвах легкого механического состава // Почвы сосновых лесов Сибири. -Новосибирск: Наука, Сиб. отд-ние, 1987. - С. 110-117.
Ковалев Р.В., Зайцева Т.Ф., Копосов Г.Ф. и др. О влиянии орошения на физико-химические и химические свойства черноземов Приобского плато и северной Кулунды // Эффективность орошения черноземов. - М.: ВНИИГиМ, 1988. - С. 44-57.
Кленов Б.М., Волковинцер В.И.Особенности природы гумуса буро-таежных почв // Тез. докл. VIII съезда ВОП. - Новосибирск, 1989. - Ч. 2.
- С. 44.
Ковалев Р.В., Копосов Г.Ф., Зайцева Т.Ф., Кленов Б.М. и др. Ненормированное орошение опасно // Мелиорация и водное хозяйство. -1989.-N 11.-С. 21-23.
Зайцева Т.Ф., Кленов Б.М. Гумус черноземов наномикрокомбина-цнй лесостепи Приобского плато - генетическая оценка и трансформация при земледелии // Проблемы АПК в условиях рыночной экономики. Тез. докл. юбилейной региональной научн.-практ. конф. - Новосибирск, 1996. -С. 32-33.
Кленов Б.М., Зайцева Т.Ф. Орошение черноземов как антропогенный фактор деградации их гумуса // Тез. докл. II съезда РОП. - Санкт-Петербург, 1996.-С. 175-176.
Klenov В.М. Humus formation of forest frozen soils of Baikal Area //Internat. Symp. on physics, chemistry , ecology of seasonally frozen soils. -Fairbanks, Alaska, USA, 1997. - P. 380-383.
СП «Наука». Заказ № 413-100-98.
Текст научной работыДиссертация по биологии, доктора биологических наук, Кленов, Борис Максимович, Новосибирск
/ ы.
С '
//
РШГУКЬЯ ДТГДТП7М
ШимЯ кхицлрш СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕН!®
Институт почвоведения и агрохимии
На правах рукописи
УДК 631.417.2:504.53.064
^ (¡ь , ^. мо Ыв.
Кленов Борис Максимович
УСТОЙЧИВОСТЬ ГУМУСА ПСЯВ ЗАПАДНОЙ СИБИРИ В УСЛОВИЯХ АНТРОПОГЕННОГО ВЛИЯНИЯ
Специальность 03.00.27 - почвоведение
Диссертация на соискание ученой степени доктора биологических наук
Научный консультант -член-корре сп ондент РШ,
доктор биологических наук И.М.Гаджиев
Новосибирск 1998
С О Д 3 Р Ж А II И И
ББЕ1ШНЗ/Ш
... . V ^ J ^ _> -с и 1 ии - Г ОЛ-Ы <• - Ъ
' г 'Г!')/,,! СГО М ^ . .
2. о^Р. 440 ^ ^ с ' .'С СШЖКСЙ
'Схо ¿с^тиою п .и.
О. V .XI ШР . у' .1 . ь о и
4. _ | „ С . ' _г < X ЛН0Г0
С 56
4Л Основные показателе гуусового состояния
почв об
4.2 Состав гумуса 72
4.3 Пшененке состава гргуса при оро^еннж почв 01
V 0"гоггга гетер7' - ^оспов^оввя углерода по
] и " ° ' , ^ос^аву гумуса 87
5. У' " 0 : 70ШЕ ГТОУСОЖГ
МОЛОТ 127
•5.1 слеменщьш состав 127
5.2 Оптические ж хшагулврущпе свойства 168
5.3 Кнслке рункцвоналъныэ группы 170
5.4 йцфолизуечость 125
6« КРИТЕР1РТ ОШГОХЖЗСКШ УСТаЛШЗОСТИ Ш1УСА-Е 4ЕОРЕ11тЖШТЗ ОСНОВЫ ПЩЮТВРАПр;ШШ ЕГО
ПОТЕРЬ ИЗ ТШУШШ ГКЯВ 208
Е414Ш5ШШЖ; 230
ВЫВЩЫ 234
шпштт 2зе
Актуальность темы. Гумус почв, являясь накопителем углерода, азота, фосфора, серы, микроэлементов, необходимых прежде всего для развития растительности, выполняет ресурсную функцию. По многим подсчетам исследователей мира установлено, что количество углерода, например, аккумулированного в гумусе, превышает вдвое количество органического материала, заключенного в биомае-се. Размеры накопления гумуса позволяют говорить о существовании особой оболочки Земли - гумосфере. Другая основная функция почвенного гумуса - обеспечение непрерывной жизнедеятельности организмов на Земле. 1^муе - продукт живого вещества и его источник, одно из звеньев непрерывных трофических связей между различными жизненными формами. Однако после освоения почв и вовлечения их в длительное сельскохозяйственное производство происходит значительное ослабление и даже нарушение основных функций почвенного гумуса, что в целом может привести к серьезным экологическим последствиям.
В настоящее время проблема гумуса приобретает наибольшую практическую значимость, поскольку в глобальном масштабе происходит его потеря. Проблема потерь гумуса стала наиболее серьезной в связи с деградацией почв и ожидаемым влиянием эмиссии углекислоты из почвы в атмосферу на проявление парникового эффекта. Потери гумуса из ночв - глобальная проблема. Многочисленные литературные сведения, нередко жротиворечивые и неоднозначные, тем не менее позволяют проследить общую тенденцию: постоянно идущие потери гумуса во веех или почти в© всех освоенных и длительно используемых почвах, составляющие ©коло I т/га в год, а иногда и более.
В обширном районе России - Западной Сибири, обладающей огромными и разнообразными по качеству земельными ресурсами, потери гумуса из шчв весьма значительны несмотря на относительную молодость земледелия по сравнению со многими районами планеты е более длительно! историей использования почв в сельском хозяйстве. Литературные данные, освещающие потери гумуса из почв Западно! Сибири, не столь обширны, но тем не менее свидетельствуют о том, что в районах наибольшего освоения земель - в лесостепной и степной зонах - эти потери могут составлять 0,6-0,7 т/га в год. А подсчет общих потерь углерода в виде С02 показал, что "вклад" пахотных почв Западной Сибири в общие мировые потери составляет 3% (Титлянова и др,, 1995, 1998).
Кроме общих потерь гумуса, состоящих из биологических (минера лизационных) и эрозионных, происходят значительные его структурно-функциональные изменения, снижающие плодородие почв, что и предопределило необходимость выполнения данной работы.
Цель работы - изучить изменения основных показателей гумусового состояния и структурно-функциональных параметров гумусовых кислот автоморфных почв зонально-широтных природных комплексов в условиях длительного сельскохозяйственного использования почв.
Достижение поставленной цели предполагает решение следующих задач:
1. Проанализировать опубликованные литературные материалы по проблеме изменения основных показателей гумусового состояния пахотных почв в сравнении с их целинными аналогами.
2. Изучить количественный и качественный состав потерь гумуса из черноземов и каштановых почв, а также структурно-функциональные изменения гумусовых кислот при длительном использовании почв в богарном и орошаемом земледелии в связи с разработкой альтернативных приемов предотвращения дальнейших потерь.
3. Разработать понятие ж критерии устойчивости гумуса как части агроэкосистемы, а также теоретические основы предотвращения дальнейших потерь гумуса мз пахотных почв.
Научная новизна. Обобщены литературные материалы, отражающие изменения показателей гумусового состояния в автоморфных почвах зонально-широтных комплексов Западной Сибири под влиянием антропогенного воздействия - освоения почв и последующего длительного использования их в земледелии. Установлен© при этом ослабление гумус©образования при сохранении общей его направленности.
Впервые установлены как общие потери гумуса из почв на основе данных §раквдонно-группового состава гумуса, так и подвижных и устойчиво закрепленных минерально! почвенной основой его компонентов.
Экспериментально установлено и теоретически обосновано влияние длительного использования почв в земледелии на негативные изменения всех основных показателей гумусового состояния почв и структурно-#ункциональных параметров гумусовых кислот.
На основе комплексных экспериментальных исследований природы гумусовых кислот в богарных и орошаемых черноземах доказана деструктивная роль ненормированного периодического орошения в разрушении структуры гумусовых кислот.
Разработаны критерии экологической устойчивости гумуса и теоретические основы предотвращения дальнейших его потерь из пахотных почв.
положения:
I. Устойчивость почвенного гумуса определяется способностью всех его составляющих противостоять количественным, качественным и структурно-функциональным изменениям под влиянием антропоген-
ных факторов.
2. Ослабление интенсивности и сохранение направленности гумус ©образования в автоморфных почвах всех природных комплексов Западной Сибири под влиянием богарного и орошаемого земледелия спровоадается количественными, качественными и структурно-функциональными изменениями основных компонентов гумуса.
3. Темпы потерь гумуса из пахотных почв, негативные изменения показателей гумусового состояния и етруктурно-функциональ-ных параметров гумусовых кислот - фундаментальная основа для разработки мероприятий по проведению гумусовых мелиоращнй.
Практическая значимость и реализация результатов. Экспериментальная информация, полученная в процессе сравнительного изучения гумусового состояния почв и структурно-функциональных параметров гумусовых кислот целинных и пахотных почв позволяет сделать прогнозные раечеты сохранности гумуса в почвах при дальнейшем ведении существующей системы землепользования - недостаточном или полном отсутствии восполнения почвенного органического вещества в виде доступных органических мелиорантов. Нега-тиные изменения показателей гумусового состояния и значительные структурно-функциональные нарушения с потерей азота, в частности, в системе гумусовых соединений при длительном использовании почв в земледелии и особенно в связи с ненормированным орошением служат серьезным основанием для обеспечения бездефицитного баланса гумуса.
Разработанные основы проведения альтернативных гумусовых мелиораций в различных природных зонально-широтных комплексах позволят предотвратить дальнейшие потери гумуса из пахотных почв и повысить устойчивость его экологического функционирования.
Теоретический и экспериментальный материал данной работы может оказаться существенным дополнением для совершенствования экологического образования студентов» специализирующихся в области почвоведения, агрохимии, природопользования, а также смежных областях естествознания.
Материалы проведенного литературного и экспериментального анализа использованы для составления картоехемы гумусового состояния почв земледельческих территорий (лесостепной и степной зон) Новосибирской области.
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались ж обсуждались на совещаниях по проблеме почвенного гумуса (Москва, 1978, 1961, 1984), (Тшень, 1981, 1984), Сибирском агрохимическом семинаре (Новосибирск, 1985), У1П съезде ВОП (Новосибирск, 1989), философском методологическом семинаре в Институте почвоведения и агрохимии СО РАН (1991), II съезде P0S (Санкт-Петербург, 1996); материалы по гумусообразованию в сибирских почвах представлялись на Международном симпозиуме "îy-мус и растение" (Прага, 1985) и и Международном симпозиуме по физике, химии и экологии сезонно-мерзлотных почв (США, 1997).
Публикации. По теме диссертации опубликованы 43 работы, в том числе 5 монографий, одна из которых в соавторстве, и три -коллективные.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения, общих выводов, изложена на 269 стр., содержит 32 таблицы и 9 рисунков. Спиеок литературы включает 243 наименования на руеском языке и 70 работ зарубежных авторов.
Отдавая должное памяти заел, деятеля науки России, проф. Р.В.Ковалева, но инициативе которого эта работа была начата,
- а -
автор считал необходимым довеети ее до конца и выразить безграничную благодарность учителю. На заключительном этане автор постоянно ощущал огромную помощь и поддержку со стороны чл.-кор. РАН И.М.Гаджжева, которому выражает сердечную благодарность. Автор также искренне благодарен всем сотрудникам Лаборатории генезиса и географии почв ША СО РАН за помощь в получении некоторых экспериментальных данных, а также большей части научных и инженерно-технических работников ШЦ СО РАН, к которым приходилось обращаться в процессе выполнения работы, за многочисленные квалифицированные консультации и сотрудникам библиотеки ША СО РАН за своевременную и доброжелательную помощь в получении всей необходимой литературы.
I. ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ РОЖЬ ГУМУСА й ПОСЛЕДСТВИЯ ЕГО АНТРОПОГЕННЫХ ИЗМЕНЕНИЙ
Как известно, экология (от греческого ойкос - местоположение , жилище, родина и логос - слово) - биологическая наука, изучающая организацию и функционирование надорганизменных систем различных уровней: популяций, биоценозов (сообществ), биогеоценозов (экосистем) и биосферы. Экология определяется как наука о взаимоотношении организмов между собой и с окружающей средой.
В конце IX века, когда неблагоприятные воздействия человека на природу достигли огромных масштабов и крайне необходимы природоохранные мероприятия, повышается потребность экологических исследований, расширяется их предмет, возрстает влияние экологии на методы исследования и проблематику других наук, прежде всего близких к этой отрасли знания. И в понятие экологии стали вводить не только организмов с ©кружащей средой, но и человека.
Экологическая проблема ныне ставится в один ряд с такими вечными вопросами научного познания, как структура материи и сущность жизни, а по остроте и срочности ее решения, по-видимому, даже превосходит их.
Экологизация почвоведения, как и других естественных наук, а также и гуманитарных, подразумевает поворот к человеку как части мира, к пониманию его взаимоотношений с биосферой. Человек при таком подходе не только венец природы, а часть ее, которая способна эту природу и уничтожить и приумножить. Споеоб же деятельности человека должен быть направлен на разумное использование почв как компонента биосферы, ибо их возможности как средства производства небезграничны.
- 10 -
Экологизация учения о почвенном гумусе имела место с момента зарождения почвоведения как науки. Понятия почва и гумус были всегда взадаообусловливающими, неделимыми и существовали от века. Говоря об экологизации почвоведения, прежде всего необходимо отметить, что глубоко экологичными были взгляды основателя научного почвоведения В.В.Докучаева. Будучи эклектиком в отношении взглядов на вопросы социальной жизни, он оказался не только ученым-естественником, но и ученым философом-матерналис-том, который сформулировал не только теоретические положения о взаимосвязи всех компонентов природы, но и уделял пристальное внимание оценке продуктивности почв Росеии. Именно поэтому он воспринимается нами как выдающийся почвовед-эколог.
Отдавая должное успехам естествознания III века, В.В.Докучаев отчетливо видел и его недостатки. Последние заключались, по его мнению,в раздельном изучении явлений природы, что, к сожалению, нередко и в наши дни.
"Изучались главным образом отдельные тела природы: минералы, горные породы, растения и животные, - и явления, отдельные стихии - огонь (вулканизм), вода, земля, воздух, в чем, повторяем, наука и достигла удивительных результатов, но не их соотношения, не та генетическая вековечная и всегда закономерная связь, какая существует между силами, телами и явлениями, между мертвой и живой природой. А между тем эти закономерные взаимодействия и составляют сущность познания вещества, ядро истинной натурфилософии, лучшую и высшую прелесть естествознания. Они же ... должны лежать в основе всего склада человеческой жизни ..." (Докучаев, 1951, стр. 399).
Как "отдельное тело природы" в понимании естествоиспытателей прошлого столетия гумус изучается до настоящего времени. Разу-
меется, достигнуты немалые успехи в плане познания его природы, структуры. Однако еще не получило должного развития изучение гумуса как компонента биосферы с учетом всех факторов, определяющих формирование такого уникального природного образования, в значительной мере обусловливающего основное свойство почвы -плодородие, благодаря которому она и етала одним из основных средств производства.
Формируясь в процессе трансформации органических материалов, гумус представляет собой звено обмена между живой и неживой материей, В экологическом отношении гумусообразование представляет собой эутрофикацию эдафической среды, т.е. приобретение бесплодной породой элемента плодородия! Чертов, 1990). Кроме того, гумусообразование создает и поддерживает экологические условия, необходимые, по крайней мере, для существования тех видов организмов, которые сложились к настоящему времени на суше. Итак, экологические функции почвенного гумуса глобальны и значимы с точки зрения обитания многочисленных живых форм.
Оам по еебе процесс накопления гумуса в почве и связанного с ним химической энергии - одна из основных экологических функций почвы в целом. Органическое вещество - накопитель углерода, азота, фосфора, серы, т.е. оно выполняет ресурсную роль. Размеры накопления гумуса в почвах позволяют говорить об особой оболочке Земли - гумосфере. Значение этой аккумуляции углерода в балансе общего углерода в биосфере раскрыты еще далеко не полно. Так или иначе, но роль гумуса в балансе углерода биосферы весьма велика. Мнения ученых, правда, в этом вопросе далеко не единодушны, что не удивительно, т.к. нет достаточно достоверных приемов учета этого баланса. Так, В.А. Ковда (1974) по своим подсчетам и предположениям считает, что
гумус является мощным резервуаром органического углерода: запасы биомассы организмов суши составляют около 200 т/га, запасы же гумуса - около 160 т/га. Но другим оценкам, количество аккумулированного гумуса превышает количество органического материала, заключенного в биомассе. Сссылаясь на различные источники, Д.0.Орлов (1974) утверждает, что для биосферы в целом количество углерода только одних гуминовых кислот (ГК), составляющих примерно половину почвенного гумуса, достигает
тт тт
6 х 10х т, а вся гумосфера заключает, значит, 12 х 10х т, тог-
тт
да как С живых организмов составляет 7 х 10АА т, т.е. запас С в гумоефере (жедосфере) вдвое выше, чем в живых организмах. По другим подсчетам и обзорам (Глазовекая, 1996), в почвеннш резервуаре углерода в виде гумуса в 3,6 раза выше, чем в живой биомассе суши и в 2,8 раза выше, чем в атмосфере. Примерно такие же сведения приведены в ©дном из обзоров экологических последствий антропогенного изменения почв (Розанов, Розанов, 1990). Большинство расчетов сводится к тому, что запас углерода в гумоефере выше, чем в бишаесе живых организмов и выше, чем в современной атмосфере невзирая на то, что в последней количество углекислоты значительно увеличилось (Будыко, Израэль, 1985).
Другая основная экологическая функция органического вещества почвы - обеспечение непрерывной жизнедеятельности организмов на земле. Еще Тэер отмечал, что гумус есть продукт живого вещества и его источник. 1^му
-
Кленов, Борис Максимович
-
доктора биологических наук
-
Новосибирск, 1998
-
ВАК 03.00.27
- Динамика органического вещества серых лесных почв при земледельческом использовании
- Влияние орошения на гумусовое состояние черноземных почв Омского Прииртышья
- Особенности трансформации гумусовых веществ в разных условиях землепользования
- Распределение гумуса и минералов по гранулометрическим фракциям в основных типах почв Ростовской области
- Гумус и гуминовые кислоты дерновых лесных и луговых почв дельты р. Селенги
