Delist.ru

Особенности трансформации гумусовых веществ в разных условиях землепользования (на примере дерново-подзолистой почвы) (20.08.2007)

Автор: Овчинникова Мария Фёдоровна

Пашня в условиях микрорельефа

Химическая, физико-химическая, биохимическая

Природно-агрогенно-деградированные

Пашня в условиях мезорельефа Физическая и механическая Природно-агрогенно-эродированные (смытые)

3.Агротехногенные

Строительство осушительных мелиоративных систем

Физическая и механическая

Агротехногенно-нарушенные

4.Техногенные

Строительство магистральных трубопроводов

Физическая и механическая

Техногеннонарушенные

Наиболее распространенными во всех климатических зонах (по территориальному признаку) являются агрогенные и водно-эрозионный факторы; потери гумуса, фиксируемые нередко при их совместном проявлении на значительных территориях, преобладают в общей структуре потерь гумуса в масштабе страны (Мамаева, 1996; Ковалева, Танасиенко, 1996; Кирюхина, Пацукевич, 2004). В последнее 10-летие в разных регионах страны отмечается увеличение площади пахотных почв с признаками гидроморфизма и деградации гумуса как отражение негативных изменений гидрологического режима агроландшафтов (Зайдельман, 2000; 2002; Ахтырцев и др., 2002); возрастание техногенного давления на почвенный покров в связи с расширением строительства магистральных трубопроводов (Гельцер и др., 1993; Деградация…, 2002). Проявление агротехногенной деградации гумуса, обусловленное строительством осушительных мелиоративных систем, характерно для почв гумидных ландшафтов (Симакова, Гельцер, 1992; Гагарина, Матинян, 1993; Зайдельман, 1994; Большаков и др., 1995).

1.2. Изменение характеристик гумуса зональных почв при действии факторов разной природы

Наибольшее количество исследований выполнено по проблеме агрогенной деградации гумуса, обусловленной длительным землепользованием без применения агрохимических средств или с односторонним применением минеральных удобрений (МУ). Обширная информация, полученная в длительных полевых опытах на фиксированных объектах, в подавляющем большинстве случаев ограничена набором параметров, которые использовались при закладке опытов (как правило, это – общее содержание гумуса, характеристики ППК, в ряде случаев – уровень биопродуктивности). Обобщение этой информации позволяет выявить ряд закономерностей в проявлении признаков деградации на уровне общей гумусированности:

1) неоднозначный характер в изменении общего содержания гумуса в вариантах с МУ; 2) заметные потери гумуса (от 0,4 до 3,3 т/га в год практически во всех зональных почвах при их использовании без агрохимических средств. 3) увеличение размеров потерь – с возрастанием периода землепользования (но не более 20-25лет, т.е. по достижении почвой стационарного равновесия), в условиях монокультуры (особенно пропашной), на почвах легкого механического состава; 4) снижение потерь – в условиях севооборотов, особенно при насыщении их многолетними травосмесями. В идентичных условиях проведения полевых опытов наибольшая устойчивость к минерализационным процессам выявлена для гумуса типичных мощных черноземов, наименьшая – для гумуса почв подзолистого ряда.

Независимо от направленности в изменении общего уровня гумусированности при длительном использовании почв лесной и лесостепной зон без удобрений или с применением МУ зафиксировано ухудшение состояния ППК; в ряде опытов прослежено усиление подкисляющего и декальцинирующего действия МУ (особенно физиологически кислых форм) с возрастанием дозы и длительности применения (Лукьянчикова, 1980; Стулин, Золотарева, 1988;Лукин и др., 1994; Ивойлов и др., 1995; Бровкин, 1996; Мазур, 1999; Кольцова, Стекольников, 2001; Минеев и др., 2004). В аналогичных опытах на почвах степной зоны в условиях нейтральной и слабощелочной реакции отмечено относительно стабильное состояние ППК (Бижоев, 1988; Шапошникова, 1990; Лукин, 2003).

Специфика агрогенной трансформации гумусовых веществ в почвах разных климатических зон во многом определялась состоянием ППК. В условиях относительного стабильного состояния ППК в степных черноземах существенных изменений качественных характеристик гумуса не наблюдалось (Шапошникова, 1990; Безуглова, 2001). В почвах лесной и лесостепной зон часто отмечается повышение относительной доли подвижных соединений, как правило, адекватное степени выраженности процессов подкисления и декальцинации; во многих случаях возрастание количества подвижных форм гуминовых кислот было сопряжено с деструкцией гуматов (Лукьянчикова, 1980; Никитишен, Егорова, 1986; Куцыкович и др., 1986; Стулин, Золотарева, 1988; Шевцова, 1988; Кравец, 1991; Когут, 1996; Минеев и др, 2004; Надежкин, Жеряков, 2005). Признаки агрогенной трансформации гумуса прослежены в ряде работ также на уровне групп гумусовых веществ (Блащик, 1988; Кравец, 1991; Носко и др. 1992); ЭПЧ (Травникова и др., 1992; Травникова, 2002; Титова и др., 1995; 2000; 2005); молекулярных структур ГК (Щевцова, 1988; Кравец, 1991;Кончиц и др., 2005; Поляков и др., 2005). К сожалению, в подавляющем большинстве работ отсутствует информация о состоянии гумуса исходной почвы, в ряде случаев – об условиях проведения опытов, что наряду с противоречивостью результатов и зачастую их методической несопоставимостью затрудняет оценку реального эффекта агроприемов.

Признаки агрогенной деградации гумуса в связи с применением гербицидов зафиксированы преимущественно в почвах подзолистого ряда, характеризующихся низким уровнем биогенности и детоксицирующей способности; проявление признаков прослежено на уровнях общей гумусированности, групп и фракций гумусовых кислот (Бельков, 1973; Цветкова, 1973; Мочалова 1981; Блиев, 1983; Терешенкова и др., 1984; Кузякова, 1995); в отдельных опытах – на уровне молекулярных структур ГК (Раскатов, 2002). Негативный эффект гербицидов, как правило, усиливался с возрастанием дозы и длительности применения. Активное разрушение гумуса (более 50%) и ухудшение его качества существенно ослабляют протекторные свойства почвы и её способность к самовосстановлению (Терешенкова и др., 1984), что указывает на опасность применения повышенных доз гербицидов на почвах с низким уровнем биогенности.

Влияние гидрологического фактора на состояние гумуса характеризуется разной направленностью, обусловленной различиями в характере и степени увлажнения, в свойствах почвообразующих пород, характере угодий. При избыточном поверхностном увлажнении и длительном превалировании восстановительных условий в почвах разных климатических зон наблюдаются заметные потери гумуса и ухудшение его качества, проявляющееся в ослаблении признака гуматности и усилении фульватного характера (Ахтырцев, 1985; Зайдельман, Никифорова, 1986, Бенидовский, Бенидовская, 1987; Ахтырцев, Яблонских, 1995; Ахтырцев, 2002), по результатам отдельных исследований – в упрощении структуры гумусовых кислот (Ковалева, Ковалев, 2003). В целом, многие аспекты этой проблемы, в частности, особенности трансформации гумусовых веществ при нарастании гидроморфизма и оглеения, остаются малоизученными. Практически не изучены изменения характеристик гумусовых кислот и их молекулярных структур в тонкодисперсных частицах, наиболее подверженных влиянию избыточного увлажнения и оглеения.

Признаки водно-эрозионной деградации гумуса в почвах разных климатических зон охарактеризованы преимущественно по масштабам потерь гумуса, изменению его группового и фракционного состава, потерям гуминовых кислот из верхней части профиля (Грызлов и др., 1975; Скрябина, 1980; Опенлендер, 1980; Мукатанов и др., 1982; 1984; Шурикова, 1987; Кириллов, Хазиев, 1993; Русанова, 1995; Ковалева, Танасиенко, 1996; Танасиенко, 2002); лишь в отдельных работах содержатся сведения о деградации гумуса на уровне элементарных почвенных частиц (Танасиенко, 1977; 1981; Макарова и др., 1985) и молекулярных структур гуминовых кислот (Скрябина, 1980; Licznar et. al., 1985; 1988). Среди зональных почв наименее изученными являются почвы лесной зоны, несмотря на их меньшую противоэрозионную стойкость по сравнению с почвами степной и лесостепной зон (Кузнецов, 1981).

Многими авторами изучено изменение физических, химических, физико-химических и биологических свойств почвы при агротехногенных воздействиях, вызванных строительством осушительных мелиоративных систем, в то же время литературные сведения о влиянии дренажа на состояние гумуса немногочисленны и часто противоречивы. Противоречивость результатов, полученных разными авторами, может быть связана с различиями в способах осушения и в свойствах осушаемых почв. К тому же в ряде работ последствия дренажа рассматриваются в комплексе с агроприемами по восстановлению мелиорированной почвы, что затрудняет оценку реального вклада мелиоративного фактора в изменение характеристик гумуса. Зафиксированные некоторыми авторами деградационные изменения гумуса прослежены преимущественно на уровне общей гумусированности (Паас, 1985; Пестряков, Литвинович, 1987; Филон, 1989; Симакова, Гельцер, 1992; Азаренок, 2003) и лишь в единичных работах содержатся сведения об изменении состава гумуса и некоторых характеристик гумусовых кислот (Зайдельман, Ковалев, 1994).

Наименее изученным является вопрос о влиянии на состояние гумуса техногенных воздействий, вызванных строительством трасс магистральных трубопроводов (МТ). Отдельными авторами изучено изменение физических, химических, биологических свойств и биопродуктивности почвы после строительства МТ; выявлена зависимость морфологии профиля, состава и свойств техногенной почвы от степени разбавления материалом минеральных горизонтов, материнской и подстилающей пород. Вследствие более глубокого нарушения почвенного покрова в техногенных почвах фиксируются значительно большие размеры потерь гумуса по сравнению с мелиорированными почвами (Гельцер и др., 1990;1993). Изменение качественных характеристик гумуса при техногенных воздействиях не изучено.

Анализ имеющейся в литературе информации о влиянии разных факторов на состояние гумуса свидетельствует об отсутствии системного подхода к изучению признаков деградации. Отмеченные при изучении практически каждого из факторов фрагментарность, разобщенность и противоречивость результатов в значительной мере затрудняют их обобщение и выявление надежных критериев для оценки признаков деградации.

Глава 2. Объекты и методы исследования

Для выявления внутренних механизмов устойчивости (или чувствительности) гумуса к неблагоприятным воздействиям на основе сравнительной характеристики его компонентного состава, структурных особенностей и свойств гумусовых кислот разного происхождения исследовались контрастные по типу гумусообразования почвы: дерново-подзолистая (Московская обл., Дмитровский р-н, ст.Луговая, ВНИИ кормов им.В.Р.Вильямса), типичный мощный чернозем (Курский Центрально-черноземный заповедник), типичный серозем (Ташкентская обл., Ак-Кавакская агротехническая опытная станция). Во всех регионах отбирались образцы целинных и окультуренных почв, сформированных на близких по происхождению и механическому составу почвообразующих породах – лессовидных суглинках различной степени карбонатности. Образцы окультуренных почв каждого типа отбирались на опытных полях, однородных по рельефу и почвенным условиям, но занятых с.-х. культурами с разными биологическими особенностями и агротехникой возделывания (пропашной, зерновой, бобовой , злаково-бобовой травосмесью). В образцах почв изучались групповой состав гумуса по схеме И.В.Тюрина (1965) в модификации Д.С.Орлова (1975) с раздельным определением групп специфических ГК и ФК (по Форситу), веществ неспецифической природы (входящих в состав спирто-бензольного экстракта и остающихся в растворе после отделения собственно ФК), нерастворимого остатка. ГК и ФК характеризовали по элементному составу, степени гидролизуемости – (по С и N), содержанию ароматических продуктов окислительной деструкции КМnO4, содержанию N в устойчивых гетероциклах ядра, характеру спектров поглощения в видимой, ультрафиолетовой и инфракрасной областях (Орлов, Гришина, 1981); [1]. Состав и свойства ароматических продуктов, полученных при окислении ядерной части ГК, изучались сочетанием методов хроматографии на бумаге, УФ-спектроскопии, элементного анализа [5].

Особенности трансформации гумусовых веществ в разных условиях землепользования, созданных действием факторов агрогенного, природно-агрогенного и техногенного происхождения и системой агромероприятий по восстановлению утраченных качеств гумуса, изучались на примере дерново-подзолистых среднесуглинистых почв, сформированных на покровных суглинках, подстилаемых тяжелосуглинистой мореной (Московская обл., Солнечногорский р-н, УО ПЭЦ МГУ “Чашниково”). По дифференциации почвенного покрова, характеру рельефа, гидрологии и почвообразующих пород территория Чашниково типична для подзоны южной тайги. Изучались почвы залежи (на подвергавшейся вспашке в течение 5 лет) и производственных полей 4-польного зернотравопропашного севооборота с 5-м выводным клином.

Агрогенные факторы

1. Обработка залежной почвы симазином (1976-1981гг): 2,5 кг/га однократно (1976г.); 2,5 кг/га 3-кратно (1976, 1977, 1978гг); 50 кг/га (1976г.). В 1979г. на половину делянок, обработанных симазином в дозе 50 кг/га, внесен ТНК, 60 кг/га.

2. 4-летняя культура кукурузы (1982-1985гг). Опытные делянки размером 100м2 в 3-кратной повторности для каждого варианта в пределах выводного производственного поля (16га), приуроченного к выровненному слабо пологому склону водораздела. Варианты: а) без удобрений и извести; б) минеральная система: за 4 года внесено на 1га N270P150K460, известкование не проводилось; в) органоминеральная система: за 4 года внесено на 1га N270P150K460 и 180т ТНК, проведено 1-кратное известкование по 1г.к.

Гидрологический фактор

Пашня (16га) в условиях развитого микрорельефа: около 20% площади занимают замкнутые микропонижения, или западины, диаметром от 3 до 20м, глубиной от 5 до 30см с характерным режимом избыточного поверхностно-застойного увлажнения. Почвенные разрезы были заложены в глубоких местах западин и на прилегающих к ним повышенных участках; в самой глубокой западине заложен почвенно-геоботанический профиль протяженностью 9м. С.-х. культуры в годы исследования (1986-1998гг): подсолнечник, овес, травы, ячмень.

Водно-эрозионный фактор

Пашня (11га) в условиях мезорельефа (с разницей высот 15-20м) на склонах СВ и В-экспозиции; к частям склонов крутизной не более 30 приурочены слабосмытые почвы; 3-50 и более – среднесмытые. С.-х. культуры в годы исследования (1996-2003гг): ячмень, одно- и многолетние травы, вико-овсяная смесь.

Агротехногенный фактор

Пашня (12га), слабопологий склон водораздела, примерно 1/3 площади занимают микропонижения в форме потяжин с характерным режимом избыточного поверхностно-проточного увлажнения. 1987г – по всей площади поля построена осушительная система в виде закрытого гончарного дренажа, дрены заложены на глубине 0,8-0,9м с междренным расстоянием 15-20м. С.-х. культуры в годы исследования (1987-1993гг): оз.пшеница, картофель, ячмень, травы. Агромероприятия: 1989 – ТНК, 40т/га; 1989 и 1990гг - известкование по 1г.к. и 0,5г.к.; 1988-1993гг – N260P90K270.

Техногенный фактор

Пашня (17га), слабо пологий склон водораздела; 1985г. – проложена траншея магистрального трубопровода глубиной 2,0-2,3м, шириной 2м. На разрезе траншеи на глубине 100-140см видна морена, на которой по неровной, но четкой границе залегают покровные суглинки. Наряду с образцами почвы отбирали образцы почвообразующей и подстилающей пород. С.-х. культуры в годы исследования (1985-2000гг): ячмень, подсолнечник, овес, травы. Агромероприятия: 1986г. – ТНК, 60т/га; 1987-1990гг и 1993-2000гг – травосеяние; 1987 и 1994гг – известкование по 0,75 и 0,5 г.к.; 1986-1995гг – N340P300K360.

Для изучения пространственной изменчивости свойств почвы на всех объектах проводился отбор образцов методом скважин (1 скважина на 1га до глубины 80-100см) и прикопок (1 прикопка на 0,25-0,5га до глубины 40см). Для сведения к минимуму пестроты данных за счет сезонной изменчивости образцы почвы отбирались в один и тот же срок – в июне. В образцах почвы всех исследованных объектов определялись влажность (гигроскопическая и полевая), рН, гидролитическая кислотность, содержание обменных Са и Мg, гумуса, азота – общепринятыми методами (Практикум по агрохимии. 2001); групповой и фракционный состав гумуса по методу Тюрина в модификации Пономаревой и Плотниковой (1980); гранулометрический состав (Айдинян, 1947; Вадюнина, Корчагина, 1973). Фракции ЭПЧ характеризовали по содержанию гумуса, обменных Са и Мg, групповому и фракционному составу гумуса. Для характеристики гумусовых кислот, выделенных из почв и фракций ЭПЧ, применяли методы спектроскопии и гель-хроматографии. Специфика нарушения условий гумификации охарактеризована дополнительными показателями – интенсивности дыхания по Макарову (1975), каталазной активности по Айеру и Уайльду (1974) в модификации Овчинниковой и Орлова [10], ОВП (Зырин, Орлов, 1964), содержания подвижных FeO и Fe2O3 (Александрова, Найденова, 1976). Деградацию гумуса оценивали 4-мя степенями (нулевая, слабая, средняя, сильная) по размерам потерь запаса гумуса в 40-см слое (Методика…, 1994); [44]. Проводилась оценка биопродуктивности почвы по величине урожая с.-х. культур.

Полученные результаты обрабатывались методами вариационного, корреляционного и дисперсионного анализов.

загрузка...