Содержание к диссертации
Введение
1 Обзор литературы 7
2 Объекты и методы исследования 33
3 Условия почвообразования 37
3.1 Географическое положение 37
3.2 Геологическое строение и почвообразующие породы 37
3.3 Рельеф 40
3.4 Климат 42
3.5 Гидрологические условия 46
3.6 Растительность 46
3.7 Почвенный покров 48
3.8 Метеорологические условия в годы исследований 50
4 Изменение свойств и плодородия дерново-подзолистых почв на двучленных отложениях в результате длительного сельскохозяйственного использования 53
5 Влияние осушительной мелиорации на свойства и продуктивность дерново-подзолистых почв на двучленных отложениях 63
5.1 Морфология дерново-подзолистых супесчаных почв и ее изменение в результате осушения 63
5.2 Изменение гранулометрического состава дерново-подзолистых супесчаных почв в результате осушения 70
5.3 Водно-физические свойства и их изменения в результате осушения 77
5.3.1 Динамика влажности почв стационара «Бессолята» 77
5.3.2 Плотность и общая порозность осушаемых и неосушаемых почв 86
5.3.3 Изменение водопроницаемости дерново- подзолистых супесчаных почв под влиянием осушения 90
5.4 Изменения агрохимических свойств исследуемых почв в результате осушения 93
5.4.1 Влияние осушения на групповой и фракционный состав гумуса 95
5.4.2 Влияние осушения на биологическую активность исследуемых почв 98
5.5 Влияние осушения на накопление тяжелых металлов в пахотно м слое исследуемых почв 101
5.6 Влияние осушения на продуктивность исследуемых почв 103
6 Итоговая оценка информативности, изменчивости некоторых свойств почв в результате осушения 107
Выводы 113
Рекомендации производству 115
Список литературы 116
Приложения 142
- Геологическое строение и почвообразующие породы
- Изменение свойств и плодородия дерново-подзолистых почв на двучленных отложениях в результате длительного сельскохозяйственного использования
- Изменение гранулометрического состава дерново-подзолистых супесчаных почв в результате осушения
- Влияние осушения на групповой и фракционный состав гумуса
Геологическое строение и почвообразующие породы
Геологическое строение и почвообразующие породы в Кировской области весьма разнообразны. Некоторое разнообразие их наблюдается и в районе исследований. Водораздельные пространства района исследований сложены в основном отложениями татарского яруса верхней перми, которые представляют собой пестроокрашенную красно-цветную толщу глин, песчаников, мергелей с прослойками известняков мощностью около 350 м. Выходы более древних светлоокрашенных пород казанского яруса (известняков, известняковых глин и песчаников) единичны (отмечаются, в основном, в верховьях реки Просницы). С поверхности зги породы перекрыты плащом четвертичных флювиогляциаль-ных отложений, покровных суглинков и слаборасчлененных элювиально-делювиальных отложений (Отчеткафедры мелиорации..., 2000).
Большое влияние на состав, мощность и способности распространения четвертичных наносов, в районе исследований и в целом по области оказало днепровское оледенение. Его граница, проходящая по линии река Чепца, г. Киров, г. Орлов и опускаясь далее на запад, делит область на две части: северную, где коренные породы покрыты ледниковыми наносами, и внеледниковую часть, где широко распространены флювиогляциальные отложения.
Территория к северу от южной границы днепровского оледенения более молодая по возрасту и ее почвообразующие породы представлены в основном ледниковыми (моренными) и, в меньшей степени, водноледниковыми отложениями. По гранулометрическому составу моренные отложения представляют собой преимущественно кислые бескарбонатные валунные суглинки. Иногда встречается карбонатная морена В южной части, не задетой действием днепровского оледенения, почвообразующие породы представлены, главным образом, покровными суглинками- В ледниковой зоне данные породы занимают повышенные элементы рельефа в районе Северных Увалов на водоразделах крупных рек (Юг, Луза и Пушма) и другие возвышенности северной половины области. Покровные суглинки образуют сравнительно небольшие пятна и массивы среди моренных и фдювиогляциальных отложений. Мощность покровных отложений ледниковой зоны обычно небольшая: от 0,5 до 1,2 м. Покровные суглинки и глины водноледниковой зоны занимают обширные водораздельные пространства. В среднем мощность покровных отложений редко превышает 3-4 м. По гранулометрическому составу среди покровных отложений преобладают тяжелые и средние суглинки и, в меньшей мере, легкие глины.
Наибольшее распространение среди почвообразующих пород региона исследования получили двучленные отложения, в которых верхний песчаный или супесчаный нанос резко сменяется в пределах метровой толщи глинистым или суглинистым (моренные суглинки, элювий верхнепермских пород). Они образовались на плоских и невысоких междуречьях низин средней и верхней Вятки, а также на нижних частях террасированных склонов окружающих водораздельных пространств. Мощность верхнего песчаного и супесчаного наноса очень часто меняется на небольшом расстоянии, определяя в основном изменения форм микрорельефа Смена гранулометрического состава и мощности в этих почвообразующих породах оказывает сильное влияние как на направленность процессов почвообразования, так и на изменения физико-химических свойств и режимов сформировавшихся на них почвах (Гущин, А.И., 1971, 1975; Тюлин, В.В., 1976; Копысов, И.Я., Тюлин, В.В. и др., 1992).
В орографическом отношении Кировская область в основном является западным Предуральем, что сильно отражается на ее рельефе. Описание рельефа и особенностей его формирования представлено в работах Н.Г. Кассина (1941) и ДД Лаврова (1967). Рельеф территории формировался под воздействием тектоники (Вятский Увал, Северные Увалы и Вятско-Камская возвышенность) четвертичного оледенения и эрозионной деятельности водноледниковых потоков. Древние потоки сильно размыли и сгладили рельеф, покрыв его своими отложениями. В целом, поверхность представляет собой приподнятую и прорезанную долинами рек равнину с общим наклоном с северо-востока на юго-запад по направлению к Ветлужской и Волжской низинам.
Через восточную часть области в меридиальном направлении проходят Верхнекамский водораздел и Вятский увал с высотами, достигающими 284 м. Эти два увала соединены между собой высоким плато с вершинами свыше 200 метров. Северные увалы выделяются в виде отдельных куполообразных возвышенных участков, разделенных долинами рек. Более пониженные элементы рельефа с абсолютными отметками 75-85 м охватывают юго-западную часть области. Значительное влияние на рельеф также оказали современные эрозионные процессы, особенно широко распространенные в южных и юго-восточных районах области (Щеклеин, С.Л, 1963; Лавров, Д.Д, 1967).
Территория района исследований занимает северную часть, постепенно погружающейся оси Вятского вала, что безусловно сказывается на характере рельефа, как правило, он более спокойный по сравнению с южными районами области.
Простирание района в широтном направлении, как бы перпендикулярно оси Вятского вала, отчетливо выразилось в изменении рельефа его территории с запада на восток. В западной части района исследований преобладают пологие слабоволнистые междуречья (абс. высота 120-130 м) с останцовыми выступами Вятского вала в виде отдельных поднятий (абс. высота 200 м), расчлененных долинами рек и речек на отдельные холмы и гряды. В центральной части преобладают более возвышенные (абс. высота 140-160 м и более) увалисто-холмистые формы водораздельных пространств, на которых выделяют «луговые» формы рельефа. Из особенностей восточной части района исследований следует выделить переход к относительно ровным и широким водораздельным пространствам Чепецко-Кильмезского плато с абсолютными высотами от 150 до 200 м. Их характерной особенностью является вытянутость с юга на север с небольшим отклонением к востоку. Здесь также отчетливо выражена более глубокая и разветвленная, чем в западной части района, расчлененность овраж-но-балочной сетью (Отчет кафедры мелиорации..., 2000).
Изменение свойств и плодородия дерново-подзолистых почв на двучленных отложениях в результате длительного сельскохозяйственного использования
Вовлечение почв в длительное сельскохозяйственной использование вызывает изменение их свойств. Оно обусловливается: а) заменой естественных ценозов аграрными, появление которых неизбежно вызывает изменение параметров биологического круговорота вещества; б) систематическим комплексным механическим воздействием на верхнюю часть профиля; в) внесением химических веществ как стимулирующих, так и ингибирующих функционирование всего комплекса организмов, участвующих в круговороте вещества (Колосов, Г. Ф. и др., 2002).
При недостаточно продуманном антропогенном воздействии и нарушении сбалансированных природных экологических связей в почвах быстро развиваются нежелательные процессы минерализации гумуса, повышается кислотность или щелочность, усиливается соленакопление, развиваются восстановительные процессы; все это резко ухудшает свойства почвы и даже приводит к локальному разрушению почвенного покрова Высокая чувствительность, уязвимость почвенного покрова обусловлена ограниченной буферностью и устойчивостью почв к воздействию сил, несвойственных ему в экологическом отношении (Добровольский, Г.В. и др., 1983; Широкова, Е.В. и др., 2002; Мухина, СВ., Дубровина, О.В., 2002).
Восстановление нарушенного почвенного покрова требует длительного времени и больших капиталовложений. Известно, что в природных условиях формирование нормально развитого почвенного профиля требует сотен лет, для рекультивации необходимо от нескольких лет до двух-трех десятилетий, вслед за которой необходимо длительное время проводить непрерывное окультуривание и улучшение почв (Добровольский, Г.В. и др., 1983).
Своевременное осуществление мероприятий по предупреждению неблагоприятных изменений свойств почвы требует организации специальной действующей контрольной почвенной службы (службы почвенного мониторинга) (Добровольский, Г.В. и др., 1983).
В настоящей главе, на основании статистической обработки материалов крупномасштабного почвенного обследования, результаты которой представлены в приложении 4 и на рисунке 5, рассматривается изменение свойств дерново-подзолистых почв на двучленных отложениях центральных районов Кировской области под влиянием длительного сельскохозяйственного использования.
Следует отметить, что в результате длительного сельскохозяйственного использования рассматриваемых почв произошло изменение содержания гумуса (рис. 5). Так в дерново-среднеподзолистых и дерново-сильноподзолистых супесчаных почвах на водноледниковых отложениях, подстилаемых на глубине 0,5-1,0 м суглинистой мореной, отмечается достоверное увеличение содержания гумуса в горизонте Апах на 0,2%. В остальных горизонтах исследуемых почв изменения статистически недостоверны.
На фоне химической мелиорации и периодически промывного водного режима рассматриваемых почв в результате их длительного сельскохозяйственного использования наряду с увеличением содержания гумуса произошли также изменения значений рН KCi и гидролитической кислотности.
Достоверное снижение значений рН ксі отмечено в горизонте ВгД дерново-среднеподзолистых почв на двучленных отложениях. В остальных горизонтах данных почв изменения статистически недостоверны. Для дерново-сильноподзолистых почв на двучленных отложениях также характерно снижение значений рН ксь но уже для двух горизонтов ВіД и ВгД
В дерново-сильноподзолистых супесчаных почвах на двучленных отложениях в горизонте ВгД наблюдается достоверное увеличение значений гидролитической кислотности. Изменения, происходящие в остальных горизонтах почвенного профиля, статистически недостоверны. Увеличение значений гидролитической кислотности отмечается и в горизонтах Аг, А2Вь 1ЗД и Д дерново-среднеподзолистых почв, но достоверное увеличение данного показателя Содержание гумуса, %
Под влиянием длительного сельскохозяйственного использования прослеживается увеличение емкости поглощения и степени насыщенности почв основаниями. Так, достоверное увеличение емкости поглощения отмечается во всех горизонтах дерново-сильноподзолистых супесчаных почв на двучленных отложениях. В дерново-средненоподзолистых почвах увеличение емкости поглощения также прослеживается практически во всех горизонтах профиля, за исключением горизонтов ВіД и ВгД. Достоверное увеличение степени насыщенности почв основаниями отмечается в гумусовых горизонтах обоих типов почв. Для остальных горизонтов дерново-сильноподзолистых почв и для горизонта А2 дерново-среднеподзолистых почв также характерно увеличение данного показателя, но оно статистически недостоверно.
Повышение содержания гумуса, емкости поглощения и степени насыщенности почв основаниями объясняется, прежде всего, резким увеличением объемов работ по воспроизводству почвенного плодородия (рис. 6). По области в среднем за год в 1986-1990 г.г., по сравнению с 1966-1970 г.г., внесение органических и минеральных удобрений, известкование кислых почв увеличилось в 2 раза, а фосфоригование - почти в 9 раз. Урожайность зерновых культур за данный период возросла с 8,6 до 13,6 ц/га (Копысов, И. Я., 2002).
Резкое снижение в сельскохозяйственных предприятиях области в последние годы объемов внесения органических и минеральных удобрений, значительное сокращение работ по известкованию и фосфоритованию почв уже в ближайшем будущем отрицательно скажется на плодородие почв. Следует иметь в виду, что данные приложения 4 по результатам массовых определений дают представление лишь об общих тенденциях изменения свойств почв. Для более достоверных выводов необходимы длительные стационарные исследования.
Изменение гранулометрического состава дерново-подзолистых супесчаных почв в результате осушения
На мелиорируемых землях эффективность работы закрытой осушительной системы в значительной степени определяется физическими свойствами почв. Наиболее важной физической характеристикой, определяющей сложение и строение почвы, является ее гранулометрический состав. Гранулометрический состав - важнейший признак почвы, обусловливающий многие ее свойства и режимы. Это довольно устойчивый признак, унаследованный от породы.
Изменение гранулометрического состава под влиянием осушения проанализировано в дерново-подзолистых и дерново-подзолистых глееватых супесчаных почвах, осушаемых более 10 лет. Для сравнения использованы данные 1989 и 1993 г.г. (табл. 4, рис. 7, см. приложение 6).
Для изучаемых почв стационара «Бессолята» характерно двучленное распределение фракции физической глины (частиц менее 0,01 мм). Верхний нанос - супесчаный, нижний по гранулометрическому составу по разрезам неоднороден - от легкосуглинистого до тяжелосуглинистого. Основными компонентами гранулометрического состава почв по мнению Б.Ф. Апарина (1984) являются фракции мелкого песка и крупной пыли. В почвах нашего стационара содержание крупной пыли (частицы 0,05-0,01 мм) хотя и незначительное, но и по ней наблюдается двучленность профиля.
Неоднородность профиля дерново-подзолистых почв по гранулометриче-скому составу является, как известно, результатом развития естественного почвообразовательного процесса Хозяйственная деятельность человека также оказывает влияние на соотношение фанулометрических фракций в пахотном слое и подпахотной части почвенного профиля, усиливая процесс разрушения илистых частиц и выноса неразрушенного ила в нижнюю часть профиля, а в ряде случаев обогащает илом пахотный слой.
Под влиянием длительности осушения наблюдаются некоторые тенденции в изменении гранулометрического состава исследуемых почв. Так, на опьп-ных участках 1993 года, где продолжительность действия дренажа после ввода в эксплуатацию составляла 5 лет, прослеживалась тенденция снижения содержания илистых фракций и фракций мелкой пыли в верхнем легком супес чаном наносе, и перемещения их в нижележащие слои (&гСД и Д). Такая же картина наблюдалась на этих же опытных участках и в 2000 году, когда срок службы дренажа соответственно составлял 12 лет.
Одновременно с выносом указанных фракций из всех горизонтов флюви-огляциального наноса и особенно из горизонта A2Bj можно в них также проследить относительное увеличение песчаных фракций. Под влиянием длительности осушения прослеживается вынос ила и мелкой пыли и из верхней части нижнего наноса, то есть до глубины закладки дрен. Для неосушаемых аналогов исследуемых почв такой подвижности указанных фракций по профилю не наблюдается (разрез 5 и 8). Увеличение илистых фракций и фракций мелкой пыли в горизонте Д, по нашему мнению, можно рассматривать как совместный результат действия лессиважа и литологической неоднородности исходной подстилающей породы.
Глубина миграции тонкодисперсного материала зависит от гранулометрического состава почв; развития трещин и глубины их проникновения в почвенный профиль; режима влажности, продолжительности застойного и промывного периодов, их чередования. В осушаемых почвах дополнительное влияние оказывают характер поступления воды в дрены и срок последействия дренажа (Эколого-географические..., 1999).
В нашем случае максимальная прибавка ила в подпахотной толще длительно осушаемых почв приурочена к горизонту ВгСД. По-видимому, в первые 5-Ю лет после строительства дренажа этим слоем ограничена глубина вертикальной миграции основной массы ила. Источником ила служит элювиальная толща Аккумуляция фракций тонкой пыли в осушаемых почвах идет параллельно накоплению ила
Наиболее объективным показателем, позволяющим количественно оценить процессы формирования почвенного профиля, является подсчет выноса-накопления ила в почве по сравнению с породой. В нашем случае из-за двучленного строения профиля подсчет выноса-накопления ила в почве будет проводиться в сравнении с данными 1989 года
Подсчет выноса-накопления ила в осушаемых почвах показал, что при увеличении срока действия дренажа процессы разрушения и выноса начинают преобладать. В пахотном слое осушаемых почв процессу дробления крупных фракций, ведущего к накоплению илистых частиц, противостоит процесс разрушения и выноса ила за пределы профиля. Имея противоположную направленность, этим двум процессам в пахотном слое глееватых осушаемых почв свойственна, по-видимому, разная интенсивность, с преобладанием дробления крупных фракций, в результате чего баланс ила в пахотном слое несколько улучшается.
Аналогичный подсчет, выполненный для фракций менее 0,01 мм, показал, что обе изучаемые осушаемые почвы характеризуются разрушением и выносом физической глины из всех горизонтов флювиогляциального наноса По-видимому, процесс, в результате которого происходит увеличение содержания ила в какой то степени происходит и за счет дробления пылеватых частиц.
Накопление ила в пахотном слое осушаемых почв можно рассматривать как результат окультуривания почвы после мелиорации. Так по мнению Н.П. Чижиковой (1990) физиологически кислые минеральные удобрения активизируют пептизацию тонкодисперсной массы почвы, разрушение пылеватых фракций. А внесение органических удобрений способствует стабилизации илистого материала (Иванов, Д Ю., 1990) и закреплению его в пахотном слое.
Влияние осушения на групповой и фракционный состав гумуса
Фракционно-групповой состав гумуса отражает генетические особенности и условия формирования почв, а также служит надежным классификационным признаком, позволяющим судить о степени их окультуренности. Сведений о влиянии осушения на качественный состав гумуса дерново-подзолистых супесчаных почв на двучленных отложениях Кировской области практически не имеется.
В связи с этим на стационаре «Бессолята» изучали влияние различной длительности осушения на групповой и фракционный состав гумуса дерново-подзолистых супесчаных почв на двучленных отложениях.
В результате исследования пятилетнего воздействия дренажа на групповой и фракционный состав гумуса изучаемых почв И.Я. Копысовым (2002) была отмечена тенденция усиления минерализации органического вещества и повышения в пахотном слое отношения содержания углерода гуминовых кислот к содержанию углерода фульвокислот (см. приложение 11).
При изучении двенадцатилетнего воздействия дренажа нами было получено следующее: данные группового и фракционного состава гумуса (табл. 7) свидетельствуют об улучшении гумусового состояния почв при сельскохозяйственном использовании и осушении по сравнению с аналогичными данными 1989 года. На состав гулгуса почв стационара «Бессолята» оказал влияние уровень агротехники, водный режим и, безусловно, физико-химические свойства изучаемых почв.
В пахотном слое мелиорируемой почвы через 12 лет работы дренажа отношение Слс СФК увеличивается с 0,86 до 0,92 в основном за счет сокращения фульвокислот. Общая же сумма гуминовых кислот сохраняется неизменной, но при этом возрастает содержание фракций, более прочно связанных с почвой.
При дренировании дерново-подзолистых супесчаных глееватых почв на двучленных отложениях в результате миграции с дренажными водами, уменьшается содержание агрессивной фракции фульвокислот на 2,3%. В них можно также проследить рост содержания подвижной фракции фульвокислот. Все это свидетельствует о начале качественной перестройки органического вещества исследуемых почв.
При анализе органического вещества обращает на себя внимание увеличение в мелиорированных почвах доли негидролизуемых форм органического вещества. Это явление объясняется, по-видимому, внесением большого количества органического вещества и извести.
Таким образом, длительное осушение (более 10 лет) дерново-подзолистых супесчаных глееватых почв на двучленных отложениях приводит не к усилению минерализации органического вещества, а к качественному изменению его состава, что выражается в повышении в пахотном слое отношения содержания углерода гуминовых кислот к содержанию углерода фульвокислот.
Но все же анализ полученных данных позволяет признать, что групповой и фракционный состав гумуса мелиорированных почв следует отнести в группу информативно реагирующих на изменение водно-воздушного режима в результате осушения. Так как диагностическую значимость изменения данного показателя можно отчетливо проследить уже в результате пятилетнего воздействия дренажа
Мелиорация, юменяя водно-воздушный режим почвы, неизбежно должна повлиять на направленность протекающих в этих почвах микробиологических процессов. Разложение органических остатков в почве осуществляется сложным комплексом организмов. Скорость разложения определяется тремя главными факторами: составом органического материала, водно-термическим режимом, комплексом организмов - разлагателей. Протекание этих процессов характеризует биологическую активность почв.
Интенсивность разложения клетчатки является одним из важных показателей биологической активности почв и их плодородия. Многочисленными исследованиями показано, что разложение клетчатки осуществляется целлюлозо-разрушающими микроорганизмами, деятельность которых во многом обусловливается гидротермическими условиями (Пушкинская, О.И., 1953; Потехина, Л.И., 1966; Фирсова, В.П., Кулай, Г.А., 1974; Некоторые микробиологические ..., 1992; Эколого-географические..., 1999).
Установлена также связь процесса распада клетчатки, которая служит основным источником энергии для всех почвенных процессов, с интегральным показателем плодородия дерново-подзолистых почв и, в частности, с урожайностью сельскохозяйственных культур (Доспехов, Б.А., 1967). По мнению О.В. Казанцева, М.В. Михайличенко (1986) наличие такой связи обусловлено тем, что комплекс условий, определяющий хорошую жизнедеятельность целлюло-золитических микроорганизмов схож с оптимальными условиями роста сельскохозяйственных культур. Сотрудники кафедры ботаники ВГСХА на основе проведенных исследований, считают, что скорость разложения органического вещества, характеризуя результирующее всех микробиологических и биохимических процессов, может являться показателем биологической активности почвы (Биологическая оценка ..., 1984; Мезенцева, Г.В., 1985,1987,1990).
