Содержание к диссертации
Введение
I. Обзор научной литературы 15
1.1 Особенности почв разноориентированных склонов, обусловленные эрозионными процессами 15
1.1.1 Морфологическое строение 15
1.1.2 Агрохимические свойства 20
1.1.3 Структурно-агрегатное состояние 30
1.1.4 Фракционно – групповой состав гумуса почв
1.2 Количественный и качественный и состав органического вещества структурных отдельностей черноземных почв 40
1.3 Структурообразующая роль органического вещества 42
II. Объекты, методология и методы исследований
2.1 Краткая природно-географическая характеристика района исследований 47
2.2 Характеристика объекта исследований 48
2.2.1 Агрохимические свойства чернозема типичного в зависимости от эродированности почвы, экспозиции и уклона склона 50
2.2.2 Валовой и минералогический состав чернозема типичного 59
2.3 Методология и методы исследований 63
III. Состав органического вещества чернозема типичного 68
3.1 Запасы гумуса и аккумулированной в нем энергии в черноземе типичном 68
3.2 Влияние экспозиции и степени эродированности на фракционно-групповой состав гумуса чернозема типичного 71
3.3 Количественный и качественный и состав органического вещества чернозема типичного в зависимости от экспозиции склона и степени эродированности 80
3.4 Запасы и химический состав корневых остатков сельскохозяйственных культур в черноземе типичном в склоновом агроландшафте и их связь с его гумусным и структурным состоянием 85
3.5 Оценка гумусного состояния чернозема типичного в различных агроэкологических условиях 89
IV. Изменение агрофизических показателей чернозема типичного и оценка их связи с фракционно-групповым составом гумуса на полярно ориентированных склонах 94
4.1 Агрофизические свойства чернозема типичного 94
4.2 Оценка связи показателей структурного состояния чернозема типичного с фракционно-групповым составом гумуса 104
V. Содержание органического углерода в структурных отдельностях в различныхагроэкологических условиях 118
5.1 Доля вклада органического углерода структурных отдельностей в общий органический углерод чернозема типичного 119
5.2 Оценка водоустойчивости структурных отдельностей 3-1 мм чернозема типичного в зависимости от экспозиции склона и степени эродированности 125
5.3 Содержание органического углерода в агрегатах чернозема типичного 128
VI. Фракционно-групповой состав гумуса почвенных агрегатов 135
6.1 Фракционно-групповой состав гумуса воздушно-сухих агрегатов чернозема типичного в зависимости от эродированности, экспозиции и уклона склона 135
6.2 Фракционно-групповой состав гумуса водоустойчивых и неводоустойчивых агрегатов чернозема типичного в зависимости от эродированности, экспозиции и уклона склона 164
VII. Подвижность и устойчивость гумусовых веществ в структурных отдельностях чернозема типичного в зависимости от эродированности и экспозиции склона 198
7.1 Подвижность гумусовых веществ в воздушно-сухих агрегатах чернозема типичного в различных агроэкологических условиях 198
7.2 Показатель подвижности гумусовых веществ в водоустойчивых и неводоустойчивых агрегатах чернозема типичного в различных агроэкологичеких условиях 207
7.3 Энтропия фракционно-группового состава гумусовых веществ чернозема типичного в структурных отдельностях в зависимости
от эродированности, экспозиции и уклона склона 216
Заключение 224
Выводы 226
Список литературы
- Фракционно – групповой состав гумуса почв
- Агрохимические свойства чернозема типичного в зависимости от эродированности почвы, экспозиции и уклона склона
- Запасы и химический состав корневых остатков сельскохозяйственных культур в черноземе типичном в склоновом агроландшафте и их связь с его гумусным и структурным состоянием
- Оценка связи показателей структурного состояния чернозема типичного с фракционно-групповым составом гумуса
Введение к работе
Актуальность исследований. Гумусообразование и агрегатообразование являются фундаментальными почвенными процессами. Известно, что в образовании структурных отдельностей, формирующих агрегатное состояние почвы, важная роль принадлежит гумусовым веществам. Как указывал Д.В. Хан (1969), агрономически ценные агрегаты почвы являются результатом взаимодействия новообразованного гумуса, высокодисперсных глинистых минералов и обменных оснований. В качестве эффективных структурообразователей агрономически ценных водопрочных агрегатов рассматривают некоторые компоненты лабильного органического вещества (Ягодки-на, Мамонтов, 2000; Мамонтов и др., 2004; Chaney, Swift, 1984), а с позиции гидрофо-бизации порового пространства – продукты гумификации (Милановский, Шеин, Степанов, 1993; Милановский, Шеин, 2002). Внутри микроагрегатов в составе органического вещества черноземов преобладают устойчивые формы гумусовых веществ, а при образовании макроагрегатов в составе органического вещества доминируют лабильные формы (Семенов, Когут, 2015; Медведев, 1988).
Однако содержание и фракционно-групповой состав гумуса в почвенных агрегатах черноземных почв изучены недостаточно. Хотя изучение этого позволило бы оценить участие групп и фракций гумусовых веществ в структурообразовании, приблизиться к раскрытию данного процесса и особенностей взаимосвязи гумусного и структурного состояния черноземов.
Большая доля сельскохозяйственных угодий в Центрально-Черноземном районе размещается на склоновых землях различной крутизны и экспозиции, подверженных эрозионным процессам. В результате водной эрозии происходит потеря гумусовых веществ, ухудшение их качества, обесструктуривание и снижению водоустойчивости пахотных земель, расположенных на склонах. Взаимосвязь гумусного и структурного состояния эродированных черноземов, содержание и состав гумусовых веществ почвенных агрегатов в зависимости от экспозиции склона и степени эродированности исследована недостаточно. В связи с этим, актуально изучение взаимосвязи гумусного и структурного состояния чернозема типичного в условиях склонового агроландшафта Центрального Черноземья.
Степень разработанности темы. Работы последних лет имеют большое значение для развития и понимания теории почвообразования, структурообразования, диагностики, классификации почв и решения прикладных задач. Однако при этом практически не учитываются изменения фракционно-группового состава как в почве в целом, так и в структурных отдельностях в пределах почвенного профиля на склоновых
4 землях в зависимости от степени эродированности и экспозиции склона. Недостаточно изучена взаимосвязь гумусного и структурного состояния, участие групп и фракций гумусовых веществ в формировании структурных отдельностей чернозема типичного в условиях склонового рельефа.
Цели и задачи исследования. Целью данной работы являлось исследование взаимосвязи гумусного и структурного состояния чернозема типичного в зависимости от экспозиции склона, степени эродированности почвы в условиях ЦЧР, участия групп и фракций гумусовых веществ в формировании почвенных агрегатов.
В задачи исследования входило:1) определить особенности состава органического вещества чернозема типичного в зависимости от экспозиции склона и степени эро-дированности почвы; 2) выявить закономерности изменения физических свойств чернозема типичного на полярно-ориентированных склонах в зависимости от степени эро-дированности; 3) оценить связь гумусного и структурного состояния чернозема типичного с запасами и химическим составом корневых остатков сельскохозяйственных культур в зависимости от экспозиции и степени эродированности почвы; 4) определить связь агрофизических показателей почвы с фракционно-групповым составом гумуса; 5) выявить особенности содержания органического углерода в структурных отдель-ностях (после сухого и мокрого просеивания) чернозема типичного в зависимости от степени эродированности и экспозиции склона; 6) исследовать фракционно-групповой состав гумуса в структурных отдельностях чернозема типичного в зависимости от степени эродированности и экспозиции склона; 7) определить подвижность и устойчивость гумусовых веществ в агрегатах чернозема типичного в зависимости от степени эродированности и экспозиции склона; 8) исследовать участие групп и фракций гумусовых веществ в формировании структурных отдельностей чернозема типичного в условиях склонового рельефа.
Научная новизна
Впервые в зависимости от экспозиции склона и степени эродированности почвы установлены особенности состава органического вещества и дана характеристика гумусного состояния чернозема типичного на пашне. Показано влияние агроэкологи-ческих условий на соотношение компонентов органического вещества в изучаемых почвах. Оценена связь гумусного и структурного состояния чернозема типичного с запасами и химическим составом корневых остатков сельскохозяйственных культур.
Выявлены особенности изменения агрофизических свойств в почвенных профилях чернозема типичного на полярно ориентированных склонах. Впервые дана
5 оценка связи фракционно-группового состава гумуса с агрофизическими показателями чернозема типичного, определены их оптимальные и критические параметры.
Впервые оценена доля вклада органического углерода почвенных структурных отдельностей в общий органический углерод чернозема типичного в зависимости от размера структурных отдельностей, генетического горизонта, экспозиции и степени эродированности. Выявлена взаимосвязь органического углерода структурных от-дельностей с агрофизическими показателями чернозема типичного. Установлено, что с увеличением количества активной части органического углерода, участвующего в формировании водоустойчивых агрегатов чернозема типичного, возрастает диаметр водоустойчивых агрегатов с 0,5-0,25 мм до 3-1 мм.
Выявлено изменение типа гумуса в структурных отдельностях чернозема типичного в зависимости от размера агрегатов, степени эродированности и экспозиции склона. С уменьшением размера воздушно-сухих и водоустойчивых агрегатов чернозема типичного отношение Сгк:Сфк, как правило, сужается независимо от агроэколо-гических условий. С повышением степени эродированности в воздушно-сухих агрегатах <3 мм чернозема типичного в гор. Апах отмечается снижение доли гуминовых кислот, нарастает доля фульвокислот и отношение Сгк:Сфк сужается.
Установлено, что в водоустойчивых агрегатах 3-0,25 мм в горизонтах Апах и А в черноземе типичном независимо от экспозиции склона и степени эродированности преобладают гуминовые кислоты, а во фракции <0,25 мм – фульвокислоты в пахотном горизонте эродированных почв северного склона.
Устойчивость гумусовых веществ в структурных отдельностях чернозема типичного зависит от степени эродированности: при повышении степени эродирован-ности она на северном склоне снижается, а на южном – возрастает. Выявлена взаимосвязь относительной подвижности гумусовых веществ воздушно-сухих и водоустойчивых агрегатов чернозема типичного с агрофизическими показателями.
Впервые показаны особенности участия групп и фракций гумусовых веществ в формировании структурных отдельностей чернозема типичного разной степени эро-дированности в условиях склонового рельефа.
Теоретическая и практическая значимость работы
Выявленные особенности участия групп и фракций гумусовых веществ в формировании структурных отдельностей чернозема типичного в зависимости от степени эродированности и экспозиции склона, установленные взаимосвязи между размером почвенных воздушно-сухих, водоустойчивых структурных отдельностей и содержанием групп и фракций гумусовых веществ будут способствовать дальнейшему разви-
6 тию теории структурообразования почв агроценозов склонового рельефа. Установленные оптимальные параметры фракционно-группового состава гумуса для агрофизических показателей рекомендуется использовать при оценке и регулировании плодородия чернозема типичного. Результаты экспериментальных исследований и выявленные закономерности могут быть использованы при решении задач прогнозирования изменения, сохранения или восстановления агрегатной структуры черноземов, для разработки моделей прогнозирования гумусного состояния черноземных почв, а также положены в основу методических рекомендаций по регулированию структурно-агрегатного и гумусного состояния чернозема типичного в условиях склонового агроландшафта.
Методология и методы исследования
Методологической основой являлись концепции внутренней неоднородности и эволюционного развития почвенного покрова агроландшафтов и биогеоценозов под воздействием естественных и антропогенных факторов на основе ландшафтного принципа (Перельман, 1966), и иерархии структурной организации, а именно ее агрегатный уровень (Корнблюм, 1975; Розанов, 1983; Воронин, 1986).
Наблюдения, анализы и учеты проводились согласно общепринятым методам полевых и лабораторных исследований по почвоведению.
Основные защищаемые положения:
-
Агрофизические показатели, характеризующие структурное состояние изучаемых почв, очень тесно и тесно связаны с фракциями и группами гумуса. Показатели гумусного и структурного состояния чернозема типичного тесно связаны с запасами и химическим составом корневых остатков сельскохозяйственных культур. Количественный и качественный состав органического вещества, агрофизические свойства чернозема типичного зависят от экспозиции склона и степени эродированности почвы.
-
Доля вклада органического углерода структурных отдельностей в органический углерод чернозема типичного зависит от количества, размера агрегатов, экспозиции склона и степени эродированности. С увеличением количества активной части органического углерода, участвующей в образовании водоустойчивых агрегатов чернозема типичного, их диаметр возрастает.
-
Содержание групп и фракций гумусовых веществ, отношение Сгк:Сфк в воздушно-сухих агрегатах чернозема типичного зависят от степени эродированности, экспозиции и местоположения на склоне, размера структурных отдельностей. Независимо от экспозиции склона и степени эродированности фракция <0,25 мм чернозема типичного обогащена фульвокислотами по сравнению с агрегатами 3-0,25 мм.
4. Между размером водоустойчивых агрегатов и качеством гумуса в них незави
симо от степени эродированности существует взаимосвязь: с уменьшением размера
водоустойчивых агрегатов в них изменяется качество гумуса – отношение Сгк:Сфк
сужается. При повышении степени эродированности в водоустойчивых агрегатах <3
мм чернозема типичного независимо от экспозиции склона отмечается снижение гу-
миновых кислот, свободных и связанных с подвижными полуторными оксидами, и
гуминовых кислот, связанных с кальцием, а количество фульвокислот возрастает.
-
Устойчивость гумусовых веществ структурных отдельностей чернозема типичного с повышением степени эродированности на северном склоне снижается, а на южном - возрастает.
-
Выявлены особенности участия групп и фракций гумусовых веществ в формировании структурных отдельностей чернозема типичного разной степени эродиро-ванности в условиях склонового рельефа.
Степень достоверности результатов
Достоверность полученных результатов подтверждена достаточным объемом полученных экспериментальных данных, их обработкой методами статистического и информационно-логического анализа (Пузаченко, Карпачевский, Взнуздаев, 1970). Анализы почв и корневых остатков сельскохозяйственных культур проводили по соответствующим ГОСТам и общепринятым методикам.
Конкурсная поддержка работы
Гранты РФФИ (исполнитель)
07-04-01186-а – Трансформация органического вещества агрегатов черноземов при различных системах использования (подходы и экспериментальное обоснование) (2007-2009 гг.).
07-04-13576-офи-ц – Исследование пространственной неоднородности и динамики свойств черноземных почв с целью обеспечения высокой эффективности их использования в точном земледелии (2007-2008 гг.).
Апробация работы
Основные положения диссертации представлены на научно-практических конференциях Курского отделения Докучаевского общества почвоведов: «Проблемы почвоведения, земледелия и экологии Центрального Черноземья», 2007; «Агроэколо-гические проблемы повышения плодородия почв и продуктивности сельскохозяйственных культур», 2008; «Актуальные проблемы агропочвоведения, земледелия и экологии», 2009; «Агроэкологические проблемы почвоведения и земледелия», 2017. Международной научно-практической конференции: «Интенсификация, ресурсосбе-
8
режение и охрана почв в адаптивно-ландшафтных системах земледелия» (Курск,
2008). Всероссийских научно-практических конференциях: «Инновации, земле
устройство и ресурсосберегающие технологии в земледелии» (Курск, 2007); «Аграр
ная наука – сельскому хозяйству» (Курск, 2009); «Модели автоматизированного про
ектирования адаптивно-ландшафтных систем земледелия» (Курск, 2010); «Сохране
ние и воспроизводство плодородия почв в адаптивно-ландшафтном земледелии»
(Курск, 2011); «Информационно-технологическое обеспечение адаптивно-
ландшафтных систем земледелия» (Курск, 2012); «Экологизация земледелия и опти
мизация агроландшафтов» (Курск, 2014). Заседании Территориального координаци
онного совета «Проблемы земледелия ЦЧЗ» «Пути сохранения плодородия почв и
повышения продуктивности сельскохозяйственных культур в адаптивно-
ландшафтном земледелии Центрального Черноземья» (Воронеж, 2009).
Монография автора (в соавторстве) «Система оценки и нормирования антропогенной нагрузки для формирования экологически сбалансированных агроландшафтов» в номинации «За эффективное информационное обеспечение АПК» на Российской агропромышленной выставке «Золотая осень-2016» удостоена Диплома II степени и Серебряной медали.
Личный вклад автора
Диссертационная работа является результатом многолетних (2002-2016 гг.) исследований автора. Ей принадлежит определение целей и задач исследования. Автор лично получила основной объем экспериментальных исследований, обобщила результаты, подготовила к публикации научные работы. Автор многократно выступала с научными докладами на научных конференциях. Общий личный вклад соискателя в объеме диссертационных исследований составляет не менее 95%.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 47 печатных работ, из них 14 – в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 7 глав, заключения, списка литературы, включающего 275 источников, в том числе, 36 на иностранных языках, содержит 45 таблиц и 12 рисунков, приложений А-Л, изложена на 271 странице.
Фракционно – групповой состав гумуса почв
Не только в пахотных почвах отмечаются различия при формировании гумусового профиля, но и на целинных землях. А.Н. Каштановым и В.Е. Явтушенко (1997) было установлено, что на склонах северной экспозиции формируются черноземы, у которых гумусовый горизонт превышает мощность аналогичных горизонтов почв на склонах южной экспозиции. Эти различия для склонов с углом наклона 3-60 составляют для черноземов выщелоченных 21 см, типичных – 15 и карбонатных – 31 см. Е.Б. Воробьева и др. (2004) отмечают, что в той части балки, где распространены лессовидные суглинки, склоны северной экспозиции заняты черноземами глубоковыщелоченными сверхмощными, а южной – типичными сильно - или средней степени эродированными с укороченным профилем, средне - и малогумусными. На широких плакорных участках формируются почвы автоморфного ряда, на нижних частях склонов, в ложбинах стока и в западинах – полугидроморфного и гидроморфного, т.е. полугидроморфные почвы приурочены к зонам аккумуляции геохимического стока (Л.И. Герасько, 2004).
На водоразделе и в верхней части склона (до 10) преобладают ареалы мощных типичных и выщелоченных черноземов. На средней части склона преобладают простые и сложные сочетания мощных и среднемощных типичных и выщелоченных черноземов с пятнистостями и комплексами слабо- и среднесмытых типичных, выщелоченных и типичных вторично – карбонатных черноземов. С повышением крутизны склона возрастает доля участия в структуре почвенного покрова эродированных почв и снижение средневзвешенной мощности гумусово–аккумулятивных горизонтов на 10-20 см по сравнению с водоразделом. В нижней части склона наблюдается сокращение средневзвешенной мощности гумусово–аккумулятивных горизонтов (до 30-40 см), что сопровождается значительным изменением отношения мощности горизонтов А1 и АВ и усредненным опусканием верхней границы вскипания и карбонатных новообразований (до 30-50 см, по сравнению с исходным) (Е.Н. Судаков, и др. 2004).
На черноземах без явного проявления эрозии за последние 15-20 лет сокращение гумусового горизонта составило 1-10 см, а на эродируемых склоновых почвах оно более существенно. Так, мощность горизонтов А+АВ+В1 у неэродированных черноземов выщелоченных составляет в среднем 67-85 см, среднеэродированных – 35-61 см, сильноэродированных 23-25 см. По мере увеличения степени эродированности мощность гумусового горизонта у черноземов типичных уменьшалась в среднем с 77 до 26 см, типичных карбонатных – с 53 до 26 см (Г.В. Добровольский, 1999). Л.Г. Смирнова с соавторами (2011) выявили, что в черноземе типичном содержание гумуса в слое 0-20 см и запасы гумуса в гумусовом горизонте при 1-30 выше, чем в агроландшафтном контуре при 3-50.
При исследовании целинных почв Центрально-Черноземного заповедника выявлено, что на склонах северной экспозиции сформированы черноземы, гумусированная толща которых превышает мощность аналогичных горизонтов почв на склонах южной экспозиции. Эти различия составляют для черноземов: типичных 15 см, карбонатных – 31, выщелоченных – 21 см (Л.Н. Былинская, Е.К. Дайнеко, 1985).
В ряде проведенных исследований на склонах отмечается, что в результате проявления водной эрозии на склонах южной экспозиции формируются почвы с меньшим содержанием гумуса, укороченным гумусовым профилем. В то же время на склонах северной экспозиции, где эрозионные процессы менее выражены, мощность гумусированных слоев обычно равна мощности аналогичных слоев почв на водоразделе или даже превышает ее (П.Г. Адерихин, И.А. Санталов, 1981; Б.П. Ахтырцев, И.А. Лепилин, 1983; Б.П. Ахтырцев, В.Д. Соловиченко, 1984; Г.А. Черемисинов, 1968). Даже при незначительной смытости черноземных почв, мощность горизонта А может сокращаться с 40-50 до 20-30 см – в результате подпахиваются горизонты АВ и В (В.А. Сидорова, П.В. Красильников, 2004).
На выпуклых склонах северных и южных экспозиций смытость почв возрастает по мере движения вниз по склону. Мощность гумусового горизонта в несмытых почвах, расположенных на водоразделе, составляет от 45 до 54 см, в слабосмытых (верх склона) – 36-41 см, среднесмытых (середина, низ склона) – 29-32 см, сильносмытых (низ склона – 16-26 см). В долинах, как правило, находятся намытые почвы с мощностью гумусового горизонта 67-109 см (А.Н. Каштанов и др.,1976).
Агрохимические свойства чернозема типичного в зависимости от эродированности почвы, экспозиции и уклона склона
Категория почв по степени смытости была установлена по снижению мощности гумусового (Апах+А+АВ) горизонта (по классификации Г.П. Сурмача (1992) для черноземов с эталоном мощности 65 см при сокращении до 30% - слабосмытые; 30-60% - среднесмытые; 60-80% - сильносмытые; 80-100% - весьма сильносмытые) и по проценту уменьшения содержания гумуса и запасов гумуса для черноземов в слое 0-50 см по сравнению с несмытой почвой (по классификации М.Н. Заславского (1972) снижено на 10-20% -слабосмытые; 20-50% - среднесмытые; 50% - сильносмытые). Таким образом, чернозем типичный на склоне северной экспозиции при уклоне 1 и 30 характеризуется как слабосмытый, а при 50 – как среднесмытый, на южном склоне при уклоне 10 – слабосмытый, а при 3 и 50 – как среднесмытый.
По отношению к водоразделу в почве северного склона при 1, 3 и 50 отмечается снижение мощности горизонта А на 2, 6 и 27 см, соответственно. В почвенном профиле на южной экспозиции при увеличении градуса уклона с 1 до 3 и 5о снижение мощности горизонта А составило 13, 19 и 20 см по отношению к мощности данного горизонта на водораздельном плато. Снижение мощности генетического горизонта А, как на северной, так и на южной экспозиции, связано с его смывом.
Мощность гумусового горизонта (Апах+А+АВ) была ниже по отношению к водораздельному плато при 1, 3 и 50 в черноземе типичном северного склона на 11, 12 и 45 см, соответственно. В почвенном профиле южной экспозиции мощность гумусового горизонта снижается на 15 см в верхней, на 20 см и 30 см в средней и нижней частях склона по сравнению с гумусовым горизонтом водораздельного плато.
Описание почвенных разрезов представлено в приложениях Б-И с учетом классификации 1977 и 2004 гг., а фотографии – в приложении К. В тексте диссертации название почвенных горизонтов приводится по «Классификация и диагностика почв СССР, 1977 г.»
Формирование почвенного плодородия определяется сочетанием природных факторов почвообразования. Среди них важное место занимает рельеф, с которым связано перераспределение осадков и тепла (В.Е. Явтушенко и др., 1994). Склоны полярных экспозиций существенно различаются по количеству поступающей солнечной радиации, запасам воды в снеге, температурному и водному режимам, что сказывается на уровне почвенного плодородия, выраженного конкретными агрохимическими показателями (А.Н. Каштанов, В.Е. Явтушенко, 1997). Склоны южной ориентации по сравнению с северными, как правило, отличаются меньшими (в 1,6 раза) запасами влаги в почве и большим количеством получаемой солнечной радиации (на 24%) (Г.А. Чуян, В.В. Ермаков, С.И. Чуян, 1987). В результате такой дифференциации на разноориентированных склонах создаются неравнозначные микроклиматические условия, определяющие разную направленность и интенсивность почвообразовательных процессов (М.А. Наконечная, В.Е. Явтушенко, 1988). Рельеф местности определяет степень и интенсивность такого фактора, воздействующего на почвенное плодородие, как водная эрозия. На южных склонах в связи с большим притоком солнечной радиации интенсивность снеготаяния выше, чем на северных, причем она увеличивается по мере возрастания крутизны склона. Это обусловливает более интенсивный смыв почвы с южных склонов (Г.П. Сурмач, 1976, 1992). В связи с развитием эрозионных процессов и постепенным многолетним смывом верхнего слоя почвы при продолжающемся сельскохозяйственном использовании земель в пахотный слой вовлекаются нижележащие почвенные слои, что снижает общий уровень плодородия почв, выраженный конкретными агрохимическими показателями.
Помимо экспозиции склона на физико-химические свойства почвы оказывает влияние крутизна склона и местоположение на нем. Большая часть изменений происходит на верхних и нижних участках склонов (А.Дж. Джеррард, 1984). Поскольку для верхних участков склонов характерны эрозия и перенос, а для нижних – осадконакопление и аккумуляция (P.A. Furley, 1971). Как показали проведенные исследования, на склоне северной экспозиции реакция почвенного раствора более кислая, чем на южном (таблица 2). Величина гидролитической кислотности на северном склоне достигает в пахотном слое (Апах) значительной величины 3,26-4,06 мг экв./100 г. Для теневых склонов характерен периодически промывной водный режим, что приводит к вымыванию карбонатов в нижележащие горизонты (Г.А. Чуян, В.В. Ермаков, С.И. Чуян, 1987), где происходит постепенное снижение гидролитической кислотности, и рН приближается к нейтральной и слабощелочной. Эти изменения неоднозначны при различной крутизне склона. Если на слабосмытых черноземах существенное изменение гидролитической кислотности отмечается уже в горизонте А и величина рН соответствует нейтральной реакции почвенного раствора, то на среднесмытых соответствующие изменения заметны только, начиная с горизонта Вк. Очевидно это связано с тем, что в нижней части склона (5о) в весенний период наблюдается наибольшее развитие нисходящих водных потоков и происходит интенсивное вымывание карбонатов, а также повышается их растворимость (Г.А. Чуян, С.И. Чуян, 1993).
В более эродированных почвах южного склона в результате приближения к поверхности карбонатного горизонта наблюдается заметное снижение, по сравнению с северным склоном, величины гидролитической кислотности и смещение рН в сторону подщелачивания. Особенно это заметно на среднеэродированном черноземе при уклоне 3о. Почвы водораздельного плато по кислотным свойствам близки к почвам южного склона, в верхних горизонтах рН - нейтральная.
Отмечено, что на водораздельном плато и южном склоне (1о и 3о) вниз по профилю в составе обменных катионов наблюдается снижение доли кальция и увеличение содержания магния.
Запасы и химический состав корневых остатков сельскохозяйственных культур в черноземе типичном в склоновом агроландшафте и их связь с его гумусным и структурным состоянием
Органическое вещество почвы – это сложная система органических соединений, которая включает в себя гумусовые вещества специфической природы, а также соединения индивидуальной природы (Н.Ф. Ганжара и др., 1987; М.М. Кононова, 1963; Д.С. Орлов, 1974 и др.). Д.С. Орлов (1990) и Р.Л. Тейт (1991) разделили органическое вещество на две большие группы: первая из которых представляет собой лабильные, легко трансформируемые и разлагаемые соединения, а вторая группа составляет устойчивые вещества к биодеградации, которые накапливаются постепенно в течение длительного периода времени. Органическое вещество почвы является основой почвообразования и плодородия почвы и отличается по степени связанности с минеральной частью, по степени устойчивости к биодеградации и по времени оборачиваемости (J. Six et al., 2002; B.T. Christensen, 2001; E.G. Gregorich et al., 2006; В.М. Семенов и др., 2004; von Ltzow et al., 2008; L. Schwendenmann et al., 2008). В процессе гумификации основные компоненты органического вещества образуют почвенный гумус, который является важнейшим показателем, определяющим генезис и плодородие почвы, и представляет группу высокомолекулярных азотсодержащих органических соединений (Д.С. Орлов, 1974).
Высокое и устойчивое плодородие черноземов определяется в первую очередь содержанием и запасами гумуса, а также большим количеством энергии, аккумулированной в нем (В.Г. Волобуев, 1974). Несмотря на происходящие в почве процессы, связанные с трансформацией органического вещества, происходит как накопление гумуса, так и его потеря. Основными факторами потери гумуса в почве являются: интенсивная обработка, применение минеральных удобрений, недостаточное поступление корневых, пожнивных остатков и органических удобрений, эрозия (С.В. Лукин и др., 2008).
В результате проведенных исследований было установлено (таблица 6), что содержание гумуса, его запасы и запасы аккумулированной в нем энергии максимально сосредоточены в несмытом черноземе типичном, расположенном на водораздельном плато. С увеличением крутизны северного и южного склонов возрастает и степень эродированности, при этом в слое 0-20 см на северном склоне отмечается снижение гумуса с 5,38% в неэродированном до 4,93-4,87% в слабосмытом и до 4,85% в среднесмытом черноземе. Отмечается снижение запасов гумуса на 12,3 - 7,1% при уклонах 1 и 30, соответственно в слабосмытом черноземе типичном и на 10,0% в среднесмытом на северном склоне, по отношению к таковому на водораздельном плато (таблица 6). В слоях 0-50 см, 0-100 см выявлено снижение запасов гумуса на 15,8-15,9% и 12,9-15,9%, соответственно, в слабосмытой (1 и 30) и на 33,0% и 33,5% - в среднесмытой (50) почве северного склона по отношению к несмытой.
На южном склоне в пахотном слое чернозема типичного (0-20 см) с повышением градуса уклона установлено снижение гумуса с 5,17 до 4,32%, запасов гумуса со 121,0 т/га до 101,9 т/га. В слоях 0-50 см, 0-100 см запасы гумуса снижались в слабосмытой почве на 17% и 14,2%, соответственно (10), и в среднесмытой - на 28,0-26,7% (30) и 31,0%-35,2% (50) по отношению к несмытой. Таблица 6 - Запасы гумуса и аккумулированной в нем энергии черноземе типичном в зависимости от экспозиции и степени эродированности
Используя систему показателей оценки гумусного состояния (Л.А. Гришина, Д.С. Орлов, 1978, 2004), было установлено, что запасы гумуса в слое 0-20 см (102-124 т/га) во всех объектах исследования средние. В метровом слое запасы гумуса были высокими (438,2 т/га) только в почве водораздельного плато, а на склонах южной и северной экспозиции независимо от степени эродированности - средними (284-382 т/га). Таким образом, под влиянием эрозионных процессов, а также различия в скорости минерализации и гумификации органического вещества в результате сложившихся гидротермических условий на разноориентированных склонах отмечается снижение содержания и запасов гумуса в почве.
Рельеф является одним из факторов почвообразования. На различно ориентированных склонах складываются неодинаковые соотношения между процессами накопления органического вещества и его разложением (Г.А. Чуян и др., 1987). Мощность гумусового горизонта различается в зависимости от местоположения в рельефе. Определенным изменениям подвергается и качественный состав гумуса (И.В. Опенлендер, 1978).
В результате проведенных исследований было установлено, что общего углерода и азота (рисунок 3) содержится больше в несмытой почве на водораздельном плато, чем в слабосмытой и среднесмытой почве северного и южного склонов. С увеличением градуса уклона от 1 до 5о происходит заметное снижение их количества независимо от экспозиции склона, также как и по глубине всех почвенных профилей.
Оценка связи показателей структурного состояния чернозема типичного с фракционно-групповым составом гумуса
Структурный анализ показал, что количество агрономически ценных агрегатов составляло от 54 до 76%. При этом происходит их уменьшение вниз по профилю почвы. По оценочно-ориентировочной шкале (Е.В. Шеин, Л.О. Карпачевский, 2007) агрономически ценная структура в верхних горизонтах почвы характеризуется как хорошая, а в нижних – как удовлетворительная. В гор. А оно было выше, чем в гор. Апах на водораздельном плато, северном склоне независимо от степени эродированности и в средней части южного склона. При этом в верхней и нижней части южного склона отмечается снижение содержания агрономически ценных агрегатов вниз по профилю почвы. При изучении изменения агрономически ценной структуры почвы вниз по склону было выявлено, что в почве на северном склоне с увеличением степени эродированности происходит уменьшение содержания агрегатов агрономически ценного размера. В почве на южном склоне отмечается обратная закономерность, т.е. при увеличении градуса уклона происходит увеличение количества агрономически ценных агрегатов, что обусловлено большим содержанием карбонатов кальция, способствующим цементации почвенных отдельностей и как следствие, формированию агрегатов.
В целом, количество агрономически ценных агрегатов было выше на южном склоне, чем на северном. что, вероятно, связано как с наличием карбонатов кальция, так и с величинами плотности почвы. Поскольку плотность сложения почвы ниже на южном склоне, то и агрегаты оптимальных размеров формируются там. Вероятно, скрепление элементарных почвенных частиц происходит по карбонатному гидросиликатному типу твердения, что способствует укреплению микроагрегатов на мезо- и микроморфологических уровнях организации почвенной структуры, а на макроморфологическом уровне, как отмечают Зубкова Т.А. и Карпачевский Л.О. (2001), проявляются противоположные свойства, это: разрыхление и понижение плотности почвы. Это можно наблюдать в средней части склона южной экспозиции в гор. А. В черноземе типичном на северном склоне происходит формирование агрегатов более крупных размеров, что подтверждается увеличением средневзвешенного диаметра агрегатов с 4,42 до 5,49 мм. Содержание агрономически ценных агрегатов в пахотном горизонте снижалось с повышением степени эродированности на северном склоне и на южном склоне при уклоне 1 и 30, а в нижней части южного склона отмечается тенденция к их повышению на 9,5%.
При изучении физических свойств почвы на склонах особый интерес представляет устойчивость почвенной структуры к внешним воздействиям, среди которых наиболее существенным является воздействие воды. Оценку структуры почвы по данному критерию проводят по суммарному количеству агрегатов 0,25 мм, полученных при мокром просеивании, а также с помощью индекса агрегированности (W), который показывает роль водоустойчивых агрегатов определенной фракции в формировании агрономически ценной структуры почвы и разработан институтом ПАН (Dobrzanski B., Witkowska B., Walczak R., 1975). В результате такой оценки было выявлено (таблица 14), что вниз по профилю почвы водоустойчивость почвенных отдельностей и агрегатное состояние ухудшаются. Установлено, что водоустойчивость почвенных агрегатов, средневзвешенный диаметр водоустойчивых агрегатов и индекс агрегированности, были выше на склоне южной экспозиции, чем на северной.
С повышением степени эродированности чернозема типичного на южном склоне в гор. Апах отмечается рост индекса агрегированности, что свидетельствует о повышении в составе водоустойчивых агрегатов количества структурных отдельностей 3-1 мм и 5-3 мм. Агрегаты данного размера играют важную роль в формировании агрономически ценной структуры и поэтому наделены наибольшей «весовой величиной» (соответственно, 10 и 8). Средневзвешенный диаметр водоустойчивых агрегатов в почве на южном склоне с увеличением степени эродированности возрастает в 2,9-4,1 раза. Это вероятно обусловлено более интенсивным смывом неводоустойчивых агрегатов и накоплением водоустойчивых, что отмечают и другие исследователи (И.А. Нетесонова, 2010), а также подтверждается повышением количества водоустойчивых агрегатов 5-3 мм и 3-1 мм в почве, о чем свидетельствуют высокие значения индекса агрегированности. В пахотном горизонте северного склона с пвозрастанием степени эродированности почвы изменение индекса агрегированности было несущественным. При этом средневзвешенный диаметр водоустойчивых агрегатов увеличивается в 2,5-2,8