Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор литературы 10
1.1. Экологические функции почвенно-биотического комплекса 10
1.2. Значение гумуса в обеспечении устойчивости почв к антропогенному воздействию 19
Глава 2. Условия, объекты и методы проведения исследований 28
2.1. Погодно-климатические условия проведения исследований 28
2.2. Методика постановки опыта и характеристика объектов изучения 30
2.3. Методы лабораторных исследований 36
Глава 3. Морфогенетический анализ и оценка функционально-экологических качеств почвы 38
3.1. Генетический анализ почвенных горизонтов 39
3.2. Экологическая оценка состояния почвенного профиля по физико-химическим и агрохимическим показателям 48
3.3. Анализ структурно-агрегатного состава почв 54
Глава 4. Экологическая оценка современного состояния и динамики органического вещества почвы 63
4.1. Многолетняя динамика содержания и запасов органического вещества почвы 64
4.2. Фракционно-групповой состав гумуса как показатель стабильности агроэкосистемы 70
4.3. Содержание водорастворимого органического вещества почв как индикатор его способности к минерализации
Глава 5. Оценка эффективности модельных агроэкосистем по продуктивности культурного ценоза 82
5.1. Многолетняя динамика продуктивности
модельной экосистемы «ячмень + травы» 84
5.2. Динамика урожайности и эффективность использования ресурса удобрений ячменем 91
Глава 6. Экологическая оценка биогеоценоза по содержанию тяжелых металлов 100
6.1. Содержание тяжелых металлов в почве 100
6.2. Биоаккумуляция тяжелых металлов при длительном использовании удобрений в экосистеме 106
Глава 7. Оценка устойчивости почв к антропогенному воздействию 110
7.1. Динамика физико-химических показателей почвы 112
7.2. Оценка обеспеченности растений доступными формами элементов питания 117
7.3. Устойчивость светло-серой лесной почвы в условиях различного антропогенного воздействия 126
Выводы 134
Список использованной литературы
- Значение гумуса в обеспечении устойчивости почв к антропогенному воздействию
- Методика постановки опыта и характеристика объектов изучения
- Экологическая оценка состояния почвенного профиля по физико-химическим и агрохимическим показателям
- Фракционно-групповой состав гумуса как показатель стабильности агроэкосистемы
Значение гумуса в обеспечении устойчивости почв к антропогенному воздействию
Почва состоит из трех групп компонентов: вещества, входящие в состав материнских пород; вещества, поступающие в почву с атмосферными и пылеватыми осадками, и органические вещества, накапливающиеся за счет остатков растений и микроорганизмов, превращающиеся в почве в гумус (Когут, 2012). Третья группа компонентов наиболее актуальна для изучения, поскольку органическое вещество почвы является не только резервуаром основных элементов питания растений, но и благодаря гумусовым веществам почвы приобретают свойства, отличающие их от других природных тел и материнской породы (Орлов, Бирюкова, 2004).
Значение органического вещества трудно переоценить. Все звенья почвообразовательного процесса связаны с почвенным органическим веществом. В процессе почвообразования происходят постепенное нарастание плодородия почв, накопление в них азота и органического вещества. В форме органических и органоминеральных соединений в почве аккумулируются огромные запасы элементов питания и энергии. Органическое вещество почвы и его главнейший и специфический компонент - гумус - являются не только запасными элементами растений, но и энергетическим материалом почвенных микроорганизмов, а также регулятором важных физико-химических и биологических свойств почвы, обуславливающим водно-воздушный и питательный режим растений в любой природной зоне.
Проблеме почвенного гумуса посвящено большое количество работ таких авторов, как С.А. Ваксман (1937), М.М. Кононова (1951, 1963), Л.Н. Александрова (1954, 1970, 1980), В.Е. Егоров (1963), И.В. Тюрин (1965), Л.А. Гришина (1986), A.M. Лыков (1982, 2004) и др. В Волго-Вятском регионе этому вопросу посвящены исследования А.С. Фатьянова (1949, 1959), В.П. Нарциссова (1959), Б.А. Никитина (1976), Н.В. Поляковой (1986), A.M. Лыкова, А.И. Еськова и М.Н. Новиковой (2004), СМ. Лукина (2009) и др. Изучение гумуса этими исследователями было проведено по эколого-биохимическому направлению, рассматривающему реальные процессы трансформации органических остатков и гумусовых веществ в ходе почвообразования. В рамках этого направления изучали не только содержание и качественный состав гумуса, но и совокупность показателей гумусового состояния.
Универсальную трактовку понятия «гумусного состояния» предложил признанный исследователь в области почвоведения В.А. Ковда (1988, с. 121): «гумусное состояние почв - совокупность морфологических признаков, общих запасов, свойств органического вещества и процессов его создания, трансформации и миграции в почвенном профиле». Классическая система показателей, по которым оценивают гумусовое состояние почв, предложена Л.А. Гришиной (1978) и Д.С. Орловым (1979). Она включает в себя такие показатели, как содержание и запасы гумуса в горизонтах 0-20 и 0-100 см почве, распределение его по профилю, обогащенность гумуса азотом (C:N), содержание «свободных» и связанных с кальцием гуминовых кислот и их соотношение с суммой гуминовых кислот, качественный состав органического вещества, особенности образования органоминеральных соединений гуминовых и фульвокислот, миграцию в почвенном профиле. Другими авторами при рассмотрении вопроса гумусового состояния почв были предложены следующие показатели: отношение содержания гуминовых кислот и фульвокислот (Kononova, 1966), скорость гумификации, степень гумификации (Casalicchio, Graziano, 1987), показатель гумификации (A new index..., 1986), показатель зрелости гуминовых кислот (Gel chromatographic separation..., 1995). Для интерпретации фракционно-группового состава был предложен показатель относительной подвижности (Использование группового..., 1979), который равен отношению суммы ГК-1, ФК-1а и ФК-1 к сумме ГК-2 и ФК-2. С усилением антропогенного давления (загрязнение органическими и неорганическими поллютантами, уничтожение лесов и др.), интенсификации сельскохозяйственного производства (выпаханность земель, увеличение доли пропашных культур, снижение площади под многолетними травами и др.) наблюдается повсеместная деградация почв. В связи с этим возрастает роль изучения экологических функций органического вещества с целью усиления экологической устойчивости почв к антропогенному прессингу.
Органическое вещество почвы представляет собой совокупность органических остатков растений, животных и микроорганизмов, продуктов их метаболизма и живой биомассы, а также специфических новообразованных органических веществ почвы - гумуса (Возбуцкая, 1968).
Гумус - сложная саморегулирующаяся и непрерывно функционирующая система (Орлов, 1988; Орлов и др., 2005; Словарь-справочник..., 2006). Гуминовые вещества - природные высокомолекулярные гетерогенные азотсодержащие органические соединения, характеризующиеся аморфным состоянием и отсутствием строгого постоянства химического состава, обладающие высокой биохимической устойчивостью за счет химических связей между структурными единицами, а также наличием систем полисопряженных связей. Гуминовые вещества, согласно современным научным представлениям, представляют собой совокупность гумусовых (перегнойные) кислот, гуминов (негидролизуемый остаток), прогуминовых веществ (меланины или парагуминовые вещества), некоторых органических соединений и их органо-минеральных производных (Орлов, 1990; Орлов и др., 2005; Попов 2005, 20076). Гумусовые вещества отличаются по стабильности, скорости оборачиваемости и продолжительности существования. Это обосновывает динамичную, гетерогенную, стохастическую систему гумусовых веществ, состоящих из лабильного, быстро оборачиваемого органического вещества, которое обеспечивает растения необходимыми элементами питания, и стабильного органического вещества, обеспечивающего устойчивость почв с природоохранной точки зрения (Семенов и др., 2007).
Методика постановки опыта и характеристика объектов изучения
На территории Нижегородской области серые лесные почвы распространенны, в основном, в Правобережье области южнее рек Оки и Волги. Формировались серые лесные почвы примерно в течение пяти тысяч лет в естественной среде лесостепи под широколиственными лесами с хорошим травянистым покровом в условиях континентального, умеренно влажного климата (Никитин, Гогмачадзе, 2003). Серые лесные почвы приурочены в основном к суглинистым и глинистым почвообразующим породам, таким как покровные суглинки, лессовидные суглинки, элювий пермских глин и известняков, элювиальных и элюво-делювиальных юрских глин (Классификация и диагностика..., 2004). Почвообразующие породы определяют минералогический, гранулометрический и химический состав почвы, глубину залегания и степень минерализации грунтовых вод, что, в свою очередь, влияет на водно-воздушный и питательный режимы. Почвообразующими породами исследуемых почв являются покровные суглинки, характеризующиеся слабокислой или кислой реакцией, высокой обеспеченностью фосфором, несколько меньше - калием, обычно они богаты кальцием (Фатьянов, 1949). Почвообразование светло-серых лесных почв характеризуется преобладающим влиянием дернового процесса - поверхностным накоплением растительных остатков и их трансформацией в сочетании со слабым развитием подзолистого процесса при участии лессиважа (Ковриго и др., 2000).
Экспедицией под руководством В.В. Докучаева было положено начало изучению почв в Нижегородской губернии (Докучаев, 1886, 1887). Большой вклад внесен Б.П. Серебряковым, под руководством которого на территории бывшего Горьковского края работала почвенная экспедиция (1931-1332 гг.), была составлена почвенная карта и разработана классификация почв Нижегородской области (Серебряков, 1934).
Освоение и распашка целинных почв характеризуется добавлением нового фактора почвообразования - антропогенного, который представляет собой комплекс механических, химических и биологических воздействий на верхнюю часть почвенного профиля (Андроников, 1965; Ахтырцев, 1965), что в конечном итоге отражается на всем профиле. Это способствует изменению верхней части профиля, обусловленного объединением и перемешиванием горизонтов А0, Аь AiA2 и образованием пахотного слоя Апах. Для генетического профиля светло-серых лесных пахотных почв характерен довольно мощный гумусоаккумулятивный горизонт (в целинных аналогах его мощность не превышает 18-22 см). Однако механическая обработка и в целом антропогенные воздействия способствуют ухудшению структурного состояния пахотного горизонта за счет разрушения и распыления почвенных агрегатов, что приводит к большей гомогенности пахотного слоя, ухудшению водно-физических свойств и большей аэрации, тем самым снижая устойчивость почв к антропогенному прессингу.
Изучение строения почвенного профиля очень важно, потому что генетический профиль является основной диагностической характеристикой почвы, которая несет в себе информацию о процессе почвообразования от исходной материнской горной породы, развивающейся во времени, и характеризует изменение свойств почвы по вертикали. Особенно это важно для опытов, имеющих длительную историю, к которым относится данный стационарный опыт, заложенный в 1964 году, а с 1972 года идущий, в том числе, по фону извести. Влияние длительного внесения удобрений на морфологические свойства почвы изучали на вариантах известкованного фона. Для этого ранней весной 2012 года (спустя 40 лет после первого известкования почвы) были заложены почвенные разрезы на одном из повторений опыта. В год исследования поле было занято ячменем с подсевом многолетних трав, предшественник - озимая пшеница. Разрезы были заложены на пашне, поверхность относительно ровная. Результаты исследований отображены на рисунках 1-6.
Морфологические признаки представленных разрезов являются типичными для пахотных почв Нижегородской области. Почва - светло-серая лесная среднемощная легкосуглинистая на покровных суглинках.
Морфологический осмотр почвенных профилей исследуемой почвы показывает максимальную аккумуляцию гумуса в верхней маломощной части почвенного профиля. Такое профильное распределение гумуса характерно для всех лесных почв и поэтому получило название лесного типа накопления органического вещества в почве (Пономарева, 1975; Ковриго, Кауричев, Булгакова, 2000). Распределение общего гумуса в подтипах светло-серой и серой лесной почв по вертикали имеет довольно плавный, а не обрывистый характер. В.В. Пономарева и Т.А. Плотникова (1980) объяснясняют это более сложным, многокомпонентным составом гумуса серых лесных почв по сравнению с подзолистыми почвами.
Также при морфологическом осмотре почвенного профиля серых лесных почв отмечается наличие трещиноватости профиля, благодаря которой в данных почвах наблюдается миграция органического вещества и питательных элементов вниз по профилю. Вертикальные трещины по всей глубине почвенного профиля доходят до материнской породы и представляют собой транзитную систему механического выноса и выноса в виде коллоидных растворов (Шендриков, 1934; Степанов, 2008; Русанов, Анилова, 2009; Антропогенная эволюция..., 2011).
Экологическая оценка состояния почвенного профиля по физико-химическим и агрохимическим показателям
Многочисленные наблюдения (Гомонова, Овчинникова, 2004; Крас-ницкий, 2004; Дабахова, Кузнецов, 2010; Литвинский, 2010 и др.) доказывают, что длительное интенсивное сельскохозяйственное использование почв приводит к снижению содержания гумуса (способствуя изменению соотношению между процессами новообразования и минерализации в сторону последнего) и биогенных элементов, что неизбежно сказывается на продуктивности агрофитоценоза. В связи с этим при организации эффективного сельскохозяйственного производства требуется правильное рациональное применение удобрений, поддерживающих не только плодородие почв, но и получение высоких урожаев возделываемых культур.
Немаловажным при этом является подбор культур для выращивания в конкретных почвенных и климатических условиях. Исследования многих авторов (Бугачук, 2001; Слабко, 2001; Рымарь, Погудин, Мухина, 2002; Зин-ченко, Петрова, 2009; Корчагин, Шушкевич, Мазиров, 2010; Никончик, 2012) подтверждают, что научно обоснованное моделирование фитоценоза в сочетании с продуманной системой удобрений способствуют повышению продуктивности агроэкосистемы, позволяя при этом более полно и всесторонне использовать все факторы плодородия почв. Причем это важно для получения не только (и не столько) разовых высоких урожаев отдельно выращиваемых культур в конкретном году, но продуктивности биогеоценоза или его отдельных звеньев на продолжительном временном отрезке, измеряемом десятилетиями.
Для оценки эффективности использования разных видов и сочетаний минеральных удобрений, а также их совместного внесения с органическими удобрениями в длительном (более 40 лет) стационарном опыте, взята модельная экосистема «ячмень + травы». Модель составлена на основе широко распространенной в земледелии Нечерноземной зоны РФ культуры - ярового ячменя, а также культур, возделываемых с ним в системе, т.е. сеяных многолетних или однолетних трав, которые неизменно выращивались в опыте в течение всего анализируемого периода (с 1987 г. по 2013 гг. включительно).
Ячмень (Hordeum vulgare L.), благодаря своим биологическим особенностям (высокая урожайность, засухоустойчивость, сравнительная холодостойкость, малая требовательность к теплу и гранулометрическому составу почвы), получил широкое территориальное распространение и использование (Лукьянова и др., 1990). Это зернофуражная культура, зерно которой используется на изготовление круп, пивоварения, а также на кормовые цели. Более того, на корм идет не только зерно, являющееся концентрированным кормом, но также солома и мякина в качестве грубого корма и силоса. Поскольку ячмень является скороспелой культурой, его часто используют не только как культуру прямого назначения, но и в качестве промежуточной культуры. Кроме того, ячмень является ценной покровной культурой для многолетних бобовых и злаковых трав. Включение ячменя в севооборот дает возможность агроэкосистеме выполнять важную фитосанитарную и экологическую функции. Эта культура способствует защите почвы от эрозии и загрязнения окружающей среды продуктами разрушения почвы. Как покровная культура, ячмень уменьшает засоренность полей сорной растительностью и создает благоприятный климат для развития многолетних трав. По отношению к удобрениям ячмень - отзывчивая культура. При правильном внесении удобрений улучшаются качества зерна, возрастает устойчивость растений к засухе, болезням и вредителям. Однако высокие дозы удобрений могут негативно действовать на основную культуру. Так, внесение 60 кг д. в./га азотных удобрений при подсеве под ячмень многолетних трав может приводить к выпадению клевера (Научно-практические основы..., 2005).
В свою очередь, включение в севообороты трав (в данном опыте - луговой клевер, Trifolium pratense L.) способствует не только получению дешевых ценных кормов, но и повышению плодородия почв, улучшая водно-физические свойства почвы, ускоряя их окультуривание, снижая эрозию, а также позволяет решать экологические и природоохранные задачи при минимальных энергетических затратах и расходе минеральных удобрений (По-жилов, Жидков, Зеленев, 1999; Чумакова, 1999; Морковкин, 2000; Шевченко, Целуйко, 2004). Травы способствуют накоплению снега в зимний период времени и выполняют фитосанитарную функцию: снижают засоренность полей и уменьшают численность вредных насекомых (Савенков, Савенкова, 1997; Агладзе, Джинчарадзе, Чабукиани, 2005). Многочисленные данные свидетельствуют (Коломейченко, 1997; Привалова, Орленкова, 1998; Соло-виченко, Азаров, 1999; Цветков, 2000; Калашников, Хлонюк, Шерстнев, 2005 и др.), что многолетние бобовые культуры улучшают также минеральное питание микрофлоры, тем самым улучшая ее деятельность, и пищевой режим всех культур севооборота. Вместе с тем, сравнение одновидовых посевов трав и травосмесей позволяет утверждать, что травосмеси лучше используют факторы жизни (солнечную энергию, питательные вещества из почвы, углекислый газ и азот из воздуха), обеспечивая более устойчивые урожаи по годам.
Учитывая все вышеотмеченное по биологической характеристике ячменя и многолетних или однолетних сеяных трав, их влиянию на состояние почвенно-биотического комплекса в целом, именно эта модель агроэкоси-стемы - «ячмень — травы» - и была взята за базовую при оценке влияния удобрений как одного из важнейших антропогенных факторов, на продуктивность агробиогеоценоза в многолетнем стационарном опыте.
Фракционно-групповой состав гумуса как показатель стабильности агроэкосистемы
Применительно к почвам - буферным открытым динамическим системам, связанным с окружающей средой потоками вещества и энергией (Гла-зовская, 1990), устойчивость чаще всего понимают как ее способность после возмущения возвращаться в исходное состояние, сохраняя при этом производительную функцию в социально-экономической системе. А.С. Фридом (1999) предложено выделять несколько типов устойчивости: геохимическую - способность к самоочищению от продуктов загрязнения; биологическую, учитывающую восстановительные и защитные свойства растительности; физическую, или противоэрозионную устойчивость. Им же вводится понятие «интегральная устойчивость», которое определяет устойчивость ко всему комплексу антропогенных воздействий.
В целом, для оценки почв по устойчивости к техногенезу важно знать особенности их водного и теплового режима, сорбционные свойства почв, а также свойства и биохимическую активность гумусового горизонта, который принимает на себя первый удар техногенного давления.
При оценке устойчивости почвенного покрова агроландшафтов учитывается ряд факторов, определяющих течение почвообразовательного процесса, среди которых разные исследователи называют климатические условия, почвообразующие породы, топографию местности, специфику растительного покрова и т.д. В данной работе за основу принята методика оценки устойчивости почв к антропогенному воздействию, использованная В.Д. Васильевской (1990) в ходе проводимых ею исследований. Данная методика с некоторыми уточнениями применительно к региону исследования активно используется в Нижегородской области (Титова и др., 2002).
Суть данной методики сводится к следующему: 1) выбирается ряд показателей, описывающих объект исследования и наиболее доказательно характеризующих его устойчивость к антропогенезу; 2) показатели ранжируются в порядке усиления их роли в поддержании устойчивости и оцениваются с использованием бальной системы (в долях от единицы или в целых числах от 0 до 4). При этом все показатели, ис 127 пользуемые в ходе оценки, делят на 2 группы, из которых первая требует экспертной оценки (балл показателю присваивается на основании справочной информации), а при оценке показателей второй группы используют четкие числовые значения, характеризующие данные показатели; 3) рассчитывается сумма баллов по каждому объекту, на основании чего делается суждение о степени устойчивости объекта к воздействию извне (от крайне неустойчивой до высоко устойчивой). В конечном итоге для расчета устойчивости длительно удобрявшейся светло-серой лесной легкосуглинистой почвы разных вариантов многолетнего стационарного опыта показатели были объединены в две группы: а) показатели, значения которых едины для всего опытного участка, к которым отнесены рельеф, почвообразующая порода, увлажненность, тепло обеспеченность и сельскохозяйственная освоенность - экспертные показате ли; б) показатели, значения которых разнятся в зависимости от содержания опытного варианта - расчетные показатели. К таким отнесены первичная биологическая продуктивность, запас гумуса в гумусоаккумулятивном слое, обменная кислотность, степень насыщенности почвы основаниями. Учитывая, что большая часть биомассы экосистемы ежегодно удаляется за пределы агроэкосистемы, в показателе «первичная биологическая продуктивность» учитывали лишь корневые и пожнивные остатки, остающиеся в почве после уборки культур (Приложение 9). Для расчета массы корневых и пожнивных остатков (неотчуждаемая биомасса) взята средняя по опыту продуктивность модельной агроэкосистемы «ячмень — многолетние травы».
Для оценки устойчивости почв опытного участка по отдельным показателям использовали градации и критерии, приведенные в учебном пособии В.И. Титовой с соавт. (2002), численные значения которых приведены в Приложениях 10-12. Для отдельных показателей при этом, в рамках методики оценки антропогенного воздействия на почвы, предложенной Василевской, была использована более дифференцированная шкала для обозначения их количественных пределов, которая, на наш взгляд, более соотносится с естественно-генетическими характеристиками светло-серой лесной почвы легкого гранулометрического состава.
В процессе расчета степени устойчивости, прежде всего, была определена сумма баллов для всех вариантов анализируемого стационарного опыта (табл. 28 и 29 для неизвесткованной и известкованной почвы соответственно). На основании этого затем была сформирована итоговая таблица, в которой в качестве вариантов изучения использована схема объединения вариантов многолетнего опыта по насыщенности удобрениями (см. гл. 2), отражающая силу антропогенного воздействия на почву.
Расчеты показали, что устойчивость разноудобренных почв опыта к антропогенному воздействию в значительной степени зависит от характеристик почвенного поглощающего комплекса - кислотности и степени насыщенности почв основаниями, а также от содержания гумуса в гумусоаккуму-лятивном слое. Количество корневых и пожнивных остатков в данном опыте невысоко, так как невысока продуктивность анализируемой модельной экосистемы «ячмень — многолетние травы», что также зависит от урожайности культурных растений, которая, в свою очередь, определяется характеристикой всего почвенно-биотического комплекса.