Сравнительная характеристика почв гумидных ландшафтов на различных корах выветривания
На правах рукописи
ХИСЕН Мискин Кафине СРАВНИТЕЛЬНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ПОЧВ ГУМИДНЫХ ЛАНДШАФТОВ НА РАЗЛИЧНЫХ КОРАХ ВЫВЕТРИВАНИЯ Специальность 03.02.13 – почвоведение
АВТОРЕФЕРАТ
Диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук
Санкт-Петербург 2011 Диссертационная работа выполнена на кафедре почвоведения им. Л.Н. Александровой ФГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный аграрный университет»
Научный консультант: доктор сельскохозяйственных наук, профессор Донских Иван Николаевич
Официальные оппоненты: доктор биологических наук, профессор Чуков Серафим Николаевич кандидат сельскохозяйственных наук Суханов Павел Александрович
Ведущая организация: ГНУ Центральный музей почвоведения им. В.В. Докучаева РАСХН
Защита диссертации состоится «2» февраля 2012 года в 16 часов 00 минут на заседании Совета Д 212.232.32 по защите докторских и кандидатских диссертаций при Санкт-Петербургском государственном университете в ауд. № 1 кафедры ботани ки СПбГУ по адресу:199034, Санкт-Петербург, Университетская наб., 7/9.
e-mail: [email protected]
С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке им. М. Горького Санкт-Петербургского государственного университета.
Автореферат разослан «» _ 2011 года Автореферат размещен на сайте Минобрнауки РФ.
Ученый секретарь совета по защите докторских и кандидатских Никитина В.Н.
диссертаций Д 212.232.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. По данным ФАО (2009) площадь пахотных земель на ду шу населения, в силу разных причин, сокращается: с 0,38 га в 1970 году до 0,23 га в 2000 году. Согласно прогнозам, к 2050 году эта цифра составит 0,15 га на человека.
Южная Азия использует 94% потенциально пахотной земли, в то время как в Африке к югу от Сахары возделываются лишь 22% потенциально пахотной земли. В странах Африки (в том числе и в республике Чад) отсутствие доступа и неразвитость местной инфраструктуры ограничивает, по крайней мере, в ближайшей перспективе, введение почв в сельскохозяйственный оборот.
Почвы страны, впервые описанные в 1964 – 1969 годах прошлого века, мало изучены. До сих пор не было представлено достаточно полного анализа состава и свойств красных ферраллитных почв республики Чад. Правильное и рациональное использование данных почв возможно лишь на основе детального изучения физико химических и агрохимических свойств и их изменения при сельскохозяйственном ис пользовании.
Дерново-подзолистые почвы бореального пояса Российской Федерации изучены достаточно удовлетворительно. При регулярном известковании и применении орга нических и минеральных удобрений на среднеокультуренных почвах можно получать высокие устойчивые урожаи, даже, несмотря на то, что данные почвы расположены в Нечерноземной зоне «рискованного земледелия».
Цель и задачи исследования. Целью настоящей работы было сравнение состава и свойств почв, формирующихся в гумидных районах на различных корах выветри вания.
В связи с этим, основными задачами исследования были:
1. Определение кислотно-основных свойств красных ферраллитных и дерново подзолистых почв, как в природных ландшафтах, так и в агроценозах;
2. Изучение гранулометрического состава данных почв;
3. Определение валового химического состава;
4. Определение валового содержания фосфора, калия и их подвижных соединений;
5. Изучение содержания гумуса и азота, изменение их запасов при окультуривании;
6. Определение содержания и профильного распределений соединений железа и алю миния.
Научная новизна. В работе, впервые для условий гумидных ландшафтов рес публики Чад и Российской Федерации, дана сравнительная характеристика почвам, формирующимся на различных корах выветривания. Сравнивали генезис, условия почвообразования, растительность, основные показатели почвенного плодородия. На примере целинных лесных почв и их окультуренных аналогов, различной степени ан тропогенного воздействия установлено профильное распределение несиликатных со единений железа и алюминия, а также их поведение в зависимости от типа коры вы ветривания.
Практическая значимость. Исследование состава и свойств красных феррал литных почв республики Чад необходимо для пополнения знаний о них, поскольку изучению данных почв отводится слишком малое значение. Результаты работы могут быть использованы для разработки приемов рационального использования красных ферраллитных почв.
Апробация работы. Основные результаты диссертации представлены и доло жены на ежегодных научно-практических конференциях профессорско преподавательского состава СПбГАУ (2009, 2011).
Публикации. По результатам диссертационных исследований опубликовано работ, в том числе 3 статьи в журналах рекомендованных ВАК Министерства образо вания и науки РФ.
Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, глав, основных выводов и приложений. Диссертация изложена на 119 страницах ма шинописного текста, содержит 22 таблицы, 3 рисунка. Список использованной лите ратуры включает 160 наименований, в том числе 42 источника литературы на ино странных языках, из них 6 ссылок на электронные интернет - ресурсы.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
ГЛАВА 1. ОСОБЕННОСТИ ВЫВЕТРИВАНИЯ И ПОЧВООБРАЗОВАНИЯ В ТРОПИЧЕСКОМ И БОРЕАЛЬНОМ ПОЯСАХ В работе представлены материалы исследований о почвах двух стран и двух континентов - красные ферраллитные почвы республики Чад (Африка) и дерново подзолистые почвы Российской Федерации (Европа). Рассмотрены вопросы, связан ные с историей изучения тропических почв, детализацией сущности и механизмов преобразования горных пород и формирования кор выветривания в гумидных ланд шафтах. Большое внимание уделяется факторам почвообразования и особенностям их проявления в тропиках, процессам почвообразования, строению и свойствам изучае мых почв, их морфологическим признакам. Особое внимание обращено на агрономи ческую оценку окультуренных пахотных почв и особенности сельскохозяйственного использования (подсечно-огневое земледелие в республике Чад).
ГЛАВА 2. ХАРАКТЕРИСТИКА ОБЪЕКТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ: ЭКОЛО ГИЯ ПОЧВООБРАЗОВАНИЯ И СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ СЕЛЬСКО ХОЗЯЙСТВЕННОГО ПРОИЗВОДСТВА Объектами исследований послужили красные ферраллитные и дерново подзолистые почвы - пахотные (хорошоокультуренные и среднеокультуренные) и це линные (лесные). Образцы почв были отобраны в 2008 году в районе города Маро (8°27N, 18°46Е) - регион Сар республики Чад (Центральная Африка) и в деревне Черенцево (59°42N;
32°11Е), Киришского района Ленинградской области, Россия (Евразия).
Степень окультуренности красных ферраллитных почв определялась по мощно сти, окраске и структуре гумусированной толщи, также учитывалась урожайность культур на данных почвах. Название горизонтов дерново-подзолистых почв приведе ны в соответствии с «Классификацией почв России» (2004). Красные ферраллитные почвы в литературе Ferralsols описаны как - Sols ferrallitiques rouges (Франция), Oxisols (США), Latossolos (Бразилия);
Altico, Ferrtico и Ferraltico (Куба) (WRB, 2006). Поскольку в Чаде не применяется World reference base for soil resources, в ра боте используется исключительно французская терминология в переводе на русский язык.
2.1.Условия образования красных ферраллитных почв и особенности их сельскохозяйственного использования в республике Чад. Красные ферраллитные почвы сформировались в однотипных геоморфологических условиях, на однородных почвообразующих породах, представляющих собой четвертичные отложения - элю вий песков и песчаников. Древняя платформа сложена породами докембрия (кристал лическими сланцами, гнейсами). Республика Чад расположена к северу от экватора в тропической зоне. Климат ее континентальный, на севере – тропический пустынный, на юге - экваториально-муссонный. Характерны два главных типа растительного по крова: саванна и лес. Современное сельскохозяйственное производство Чада непосто янно и страдает от нехватки топлива и машин, плохих условий хранения, дефицита удобрений, незаконного их вывоза в соседние страны.
2.2. Условия почвообразования дерново-подзолистых почв России. Дерно во-подзолистые суглинистые почвы сформированы на однородной почвообразующей породе, представленной моренными слабокаменистыми бескарбонатными суглинка ми, расположенными на одинаковых уровнях сглаженных моренных увалов. Корен ные породы – зеленые кембрийские глины. Климат умеренно континентальный. Зо нальный тип растительности – смешанные леса.
2.3. Характеристика морфологического строения почв Красные ферраллитные почвы. Морфологические строение генетического профиля имеют характерные для данного типа почв черты: красные тона окраски почвенных горизонтов при более темном тоне поверхностного гумусово аккумулятивного горизонта, большая общая мощность почвенного профиля. Размы тость границы между почвой и корой выветривания и постепенный переход между горизонтами;
облегченный гранулометрический состав верхней части профиля, высо кая пористость. Метаморфический генетический тип профиля связан с формировани ем на определенной глубине оксидного горизонта В.
Дерново-подзолистые почвы. Строение профиля типично для почв данного генезиса и характеризуется наличием лесной подстилки (А0), различным по мощности гумусово-аккумулятивном горизонтом (А1) и подзолистым горизонтом (А2), разли чающимися по плотности сложения. Морфологическое строение профиля свидетель ствует о сопряженном протекании в лесной почве дернового и подзолистого процес сов.
ГЛАВА 3. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ В полевых условиях произведено морфологическое описание профилей изучае мых почв. В целях изучения генетической характеристики почв в среднесмешанных образцах, отобранных погоризонтно, определялись: валовой химический состав почв на анализаторе «TEFA»;
гранулометрический состав по методике Н.А. Качинского;
аморфное железо и алюминий по Тамму;
несиликатное железо по Мера-Джексону;
силикатный алюминий по разности между валовым содержанием Al и его количест вом, переходящим в вытяжку 1н. NaOH (по Дюшофуру – Сушье).
В лабораторных условиях при определении основных физико-химических и аг рохимических показателей использованы стандартные методики (Аринушкина, 1970, Александрова, Найденова, 1986, Минеев, 2001). Аналитическая повторность 3-х крат ная, вычислялись коэффициенты линейной корреляции (r). Статистическую обработ ку выполняли с помощью программы Microsoft Office Excel.
ГЛАВА 4. СРАВНИТЕЛЬНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ И АГРОХИМИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ПОЧВ ГУМИДНЫХ ЛАНДШАФТОВ НА ПРИМЕРЕ КРАСНЫХ ФЕРРАЛЛИТНЫХ И ДЕРНОВО ПОДЗОЛИСТЫХ ПОЧВ 4.1. Гранулометрический состав. Исследуемые почвы обладают суглинистым, с незначительным утяжелением по профилю, гранулометрическим составом.
Таблица 1 - Гранулометрический состав красных ферраллитных почв, % Глубина, 1- 0,25- 0,05- 0,01- 0,005- Почва см 0,25 0,05 0,01 0,005 0,001 0,001 0, 0 - 25 27,4 29,4 15,8 2,7 4,2 20,5 27, 25 - 46 21,8 28,6 19,8 4,5 5,8 19,5 29, 46 - 88 17,3 21,8 22,9 4,3 5,0 28,7 38, Хорошо окультуренная 88 - 114 15,2 19,2 21,1 5,3 2,6 36,6 44, 0 - 17 23,8 31,1 13,1 7,9 8,8 15,3 32, 17 - 35 19,3 28,1 12,6 6,4 7,1 26,5 40, 35 - 50 15,2 19,5 16,4 5,3 8,0 35,6 48, Средне окультуренная 50 - 72 9,8 18,8 21,8 4,8 5,9 38,9 49, 0-3 25,8 27,5 20,1 4,2 8,2 14,2 26, 3 - 19 22,7 24,8 24,6 3,7 7,6 16,6 27, 19 - 32 18,3 18,6 21,8 6,8 11,7 22,8 41, 32 - 60 14,5 16,4 24,4 5,1 8,7 30,9 44, Лес 60 - 125 11,8 19,3 17,1 3,9 10,5 37,4 51, Гранулометрический анализ красных ферраллитных почв выявляет дифферен циацию почвенного профиля на две зоны: верхнюю, с преобладанием фракции круп ного и мелкого песка (47,4 – 56,8%) и нижнюю, - обогащенную физической глиной (32,0 -51,8%), основным компонентом которой является фракция ила (табл. 1). Крас ные ферраллитные почвы сформировались на корах выветривания песчаников. В со ответствии с этим, данные почвы характеризуются легко- и среднесуглинистым гра нулометрическим составом.
Таблица 2 - Гранулометрический состав дерново-подзолистых почв, % Глубина, 1- 0,25- 0,05- 0,01- 0,005- Почва см 0,25 0,05 0,01 0,005 0,001 0,001 0, 0 - 32 1,38 69,09 6,06 4,03 10,33 9,11 23, 32 - 34 0,78 73,56 7,05 3,33 7,06 8,22 18, 34 - 71 0,46 75,48 2,94 3,89 8,56 8,67 21, Хорошо окультуренная 71 - 110 1,82 59,02 1,05 4,28 15,00 18,83 38, 0 - 32 1,96 64,16 12,11 6,94 8,33 6,50 21, 32 - 59 0,88 60,34 17,61 2,94 10,06 8,17 21, 59 - 89 0,67 64,33 14,83 2,72 9,17 8,28 20, Средне окультуренная 89 - 110 0,66 36,72 15,06 13,06 14,56 19,94 47, 4 - 18 5,66 48,39 19,33 14,67 6,67 5,28 26, 18 - 27 0,78 64,00 2,44 10,56 15,22 7,00 32, Лес 27 - 60 2,49 64,24 6,22 5,44 3,39 18,22 27, Для дерново-подзолистых почв характерно обогащение профиля мелким пес ком (фракция частиц 0,25 – 0,05 мм) и неравномерное распределение ила по профи лю. Данные таблицы 2 показывают отчетливую закономерность – верхние горизонты обеднены илом, нижние обогащены этой фракцией.
4.2. Валовой химический состав. Валовой химический состав красных феррал литных почв Республики Чад и дерново-подзолистых почв России определяется осо бенностями формирования кор выветривания и процессов почвообразования.
Таблица 3 - Валовой химический состав исследуемых почв, % Гори- Глубина, А12O SiO2 SiO Почва зонт см SiO2 Fe2O3 Al2O3 Al2O3 Fe2O3 Fe2O Красная ферраллитная почва Аh 0 - 25 64,80 2,50 7,50 14,69 69,12 25, Хорошо- АВhm 25 - 46 63,34 2,60 12,08 8,91 64,96 24, окультуренная Вm 46 - 88 60,48 4,20 25,76 3,99 38,40 14, В 88 - 114 54,12 4,80 30,63 3,00 30,07 11, Аh 0 - 17 65,63 3,20 11,40 9,79 54,69 20, Средне- АВmFe 17 - 35 63,70 3,80 18,60 5,82 44,70 16, окультуренная ВmFe 35 - 50 55,98 5,60 20,50 4,64 26,66 10, ВFe 50 - 72 49,50 8,20 27,90 3,02 16,10 6, А 3 - 19 66,73 4,21 17,37 6,53 42,27 15, Лес АВ 19 - 32 59,82 6,20 25,01 4,07 25,73 9, ВFe1 32 - 60 57,64 6,32 28,74 3,41 24,32 9, ВFe2 60 - 125 46,83 5,40 27,25 2,92 23,13 8, Дерново-подзолистая почва Р 0 - 32 74,60 1,50 7,10 17,86 132,62 7, Хорошо- АYEL 32 - 34 77,60 1,30 6,80 19,40 159,18 8, окультуренная BEL 34 - 71 74,40 1,50 5,80 21,81 132,27 6, BТ 71 - 110 68,40 4,90 13,10 8,88 37,22 4, P 0 - 32 76,20 1,40 7,00 18,51 145,14 7, Средне- AYEL 32 - 59 78,00 1,40 7,20 18,42 148,57 8, окультуренная BEL 59 - 89 77,10 2,80 9,60 13,65 73,43 5, BТg 89 - 110 65,20 5,20 13,60 8,15 33,44 4, АY 4 - 18 68,10 1,10 8,40 13,78 165,09 11, Лес BEL 18 - 27 76,30 2,70 8,70 14,91 75,36 5, BТg 27 - 60 81,40 2,60 8,40 16,47 83,49 5, Для дерново-подзолистых почв данные валового химического анализа показы вают перераспределение алюмосиликатной части профиля: вынос из верхних гори зонтов Al2O3 и Fe2O3 и накопление их в нижележащих иллювиальных горизонтах (табл. 3). Профиль имеет дифференциацию молекулярных отношений SiO2:R2O3, по степенно уменьшающихся с глубиной, с четким минимумом в иллювиальном гори зонте. Наибольшее накопление оксидов железа и алюминия приходится на горизонт ВТ.
В красных ферраллитных почвах полуторные оксиды распределяются по про филю по элювиально-иллювиальному типу. Наименьшее содержание оксидов Al и Fe отмечается в поверхностных горизонтах (минимальное в пахотном слое окультурен ных почв - 7,5 - 11% и 2,5 – 3,2% соответственно). Затем их количество резко увели чивается и достигает максимума в нижней части горизонта В (до 30% Al и 8% Fe).
Подобный характер распределения полуторных оксидов встречается во всех почвах и связан, по-видимому, с перераспределением илистой фракции по профилю красных ферраллитных почв. При распределении вниз по профилю, как алюминий, так и желе зо выщелачиваются из самых верхних горизонтов. Поверхностные горизонты относи тельно обеднены Fe2О3, содержание которого минимально в пахотном слое окульту ренных красных ферраллитных почв. Ниже по профилю количество оксидов и гидро ксидов железа заметно повышается.
4.3. Состав обменных катионов и кислотные свойства почв. Почвенные про цессы, обусловливающие формирование красных ферраллитных почв и дерново подзолистых почв в условиях гумидного климата, образуют своеобразные физико химические свойства. В ферраллитных почвах меньше, чем в почвах умеренных ши рот, накапливается обменных катионов Са2+ и Mg2+ и больше обменных катионов Аl3+ и Н+.
Таблица 4 – Кислотные свойства почв гумидных ландшафтов Н++ Аl3+ Нг Са2+ Мg2+ рНКСl Почва ммоль/100 г Красная ферраллитная почва Хорошоокультуренная 7,00 2,00 0,07 1,23 4, Аh (0 – 25) Среднеокультуренная 5,00 2,80 0,06 1,58 5, Аh (0 – 17) Лес 0,72 0,20 7,54 4,84 4, А (3-19) Дерново-подзолистая почва Хорошоокультуренная 13,65 2,44 0,39 1,56 6, Р (0 - 32) Среднеокультуренная 11,51 4,55 0,60 2,76 5, Р (0 - 32) Лес 7,54 2,53 6,88 26,26 3, АY(4 – 18) Кислотные свойства исследуемых почв представлены в таблице 4.
Красные ферраллитные почвы характеризуются среднекислой реакцией, рН в них изменяется от 4,70 до 4,87. Наиболее кислой является целинная почва, в окульту ренных разновидностях величины обменной кислотности снижены, особенно это ха рактерно для окультуренной почвы под культурой батата, в 17 сантиметровом слое которой рНКСl равен 5,8.
Дерново-подзолистые почвы характеризуются реакцией близкой к нейтральной (табл. 4), что связано с процессами окультуривания и систематическим внесением ор ганических удобрений и известкованием. В хорошоокультуренной дерново подзолистой почве в пахотном горизонте рНКСl равен 6,55, в среднеокультуренной 5,84. В почве леса реакция в верхней части профиля сильно кислая (рН 3,41), вниз по профилю она становится среднекислой.
В окультуренных почвах гидролитическая кислотность колеблется в пределах 1,56 - 2,76 ммоль/100 г почвы в пахотных горизонтах, с увеличением в субэлювиаль ных горизонтах. Наибольшими значениями гидролитической кислотности характери зуется целинная лесная почва (26 ммоль/100 г). Красные ферраллитные почвы харак теризуются более низким значением гидролитической кислотности, и наличием в со ставе обменных катионов водорода и алюминия.
4.4. Валовое содержание фосфора и калия и их подвижных соединений. В красных ферраллитных почвах аккумулируется очень низкое количество подвижных соединений фосфора (0,76 - 1,07 мг/100 г). Верхние слои окультуренных почв содер жат больше подвижных соединений фосфора;
вниз же по профилю почвы содержание их уменьшается. Это объясняется тем, что в гумусированных горизонтах фосфор за крепляется в виде органических фосфатов и поглощается корневой системой. Крас ные ферраллитные почвы Чада испытывают дефицит валового и подвижного калия (1,21 – 2,50 мг/100 г почвы). Валовое содержание фосфора в дерново-подзолистых почвах невелико (0,05 - 0,1%) и фосфатный режим в значительной степени зависит от реакции почвенного раствора и содержания подвижных форм полуторных оксидов.
Содержание обменного калия является наиболее высоким в хорошоокультуренных дерново-подзолистых почвах – 38 мг К2О на 100 г в пахотном слое ГЛАВА 5. СОДЕРЖАНИЕ ГУМУСА, АЗОТА И ФРАКЦИОННО ГРУППОВОЙ СОСТАВ ГУМУСА В ДЕРНОВО-ПОДЗОЛИСТЫХ И КРАСНЫХ ФЕРРАЛЛИТНЫХ ПОЧВАХ 5.1. Содержание и запасы гумуса и азота. Оценка гумусного состояния почв, предложенная Д.С. Орловым и Л.А. Гришиной (1978) производится по величинам со держания гумуса, его запасам, групповому и фракционному составу, содержанию азота, типу гумуса. Данные о содержании гумуса в профиле изучаемых почв приведе ны на рисунке 1.
% % % 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 0,00 0,50 1,00 1, 0,0 0,5 1,0 1,5 2, 0 10 40 h, см h, см h, см 80 100 Р 1. Хорошоокультуренная Р 2. Среднеокультуренная Р 3. Лесная почва почва почва Рис. 1. Содержание гумуса в профиле красных ферраллитных почв Красные ферраллитные почвы, сформированные на корах выветривания из пес чаников, характеризуются крайне низкой гумусированностью. Содержание гумуса в целинной разновидности в слое 0 – 3 см равно 1,18%. Вниз по профилю количество его резко падает и достигает на глубине 19 см – 0,54%. В более глубоких горизонтах этой почвы оно еще более низкое (0,28%). Наибольшие запасы его в слое 0 - 25 см ха рактерны для хорошоокультуренной почвы, они составили 47,9 т/га. Среднеокульту ренная почва аккумулирует гумуса в 2 раза меньше – 22,9 т/га. Масса гумуса в целин ном варианте значительно уступает первым двум (11,4 т/га). Изучаемые почвы по за пасам гумуса относятся к очень низко обеспеченным ( 50 т/га в слое 0 - 25 см).
Данные о содержании гумуса в дерново-подзолистых почвах Ленинградской об ласти представлены на рисунке 2. Целинная лесная почва содержит 11,8% гумуса (6,8% С), который сосредоточен в незначительном по мощности серо-гумусовом го ризонте (4 - 18 см). С глубиной его содержание резко падает. Тип профиля - грубогу мусовый. Запасы гумуса в слое 0 - 25 см составили 130,5 т/га. Распашка целинных почв приводит к формированию пахотного слоя, превосходящего по мощности серо гумусовый горизонт. В результате этого исходное содержание органического вещест ва перераспределяется в большей по мощности толще. Кроме того, ежегодные обра ботки способствуют улучшению аэрации пахотного слоя, активизации микробиоло гической активности и, тем самым, усилению минерализации гумуса.
% % % 0,00 1,00 2, 0,00 1,00 2,00 3,00 4, 0,0 3,0 6,0 9,0 12,0 15,0 18, 40 h, см h, см h, см 80 Р 4. Хорошоокультуренная Р 5. Среднеокультуренная Р 6. Лесная почва почва почва Рис. 2. Содержание гумуса в профиле дерново-подзолистых почв Таблица 5 – Содержание общего азота, углерода и насыщенность гумуса азотом в почвах гумидных ландшафтов С общ N вал C:N Почва % 1,01 0,08 12, Красная ферраллитная хорошоокультуренная, Аh (0 - 25) 0,52 0,06 8, Красная ферраллитная среднеокультуренная, Аh (0 - 17) 0,31 0,07 4, Красная ферраллитная, лес, А (3 - 19) 1,89 0,25 7, Дерново-подзолистая хорошоокультуренная, Р (0 - 32) 1,07 0,18 5, Дерново-подзолистая среднеокультуренная, Р (0 - 32) 6,83 0,29 23, Дерново-подзолистая, лес, АY (4 - 18) Полученные данные о содержании азота в изучаемых почвах представлены в таблице 5. Как видно из этой таблицы, количество его в пределах исследуемых про филей почв сильно различается (0,06 – 0,29 %). Наибольший запас азота в красных ферраллитных почвах в слое 0 – 25 см имеет целинная почва леса – 2,81 т/га, в слое – 50 см – 4,08 т/га. Это низкие и очень низкие для почв данного типа запасы. В хоро шоокультуренной почве запасы азота составили 2,31 т/га, (в слое 0 – 50 см – 3, т/га). В среднеокультуренной почве разреза 2 – запасы азота составили 2,09 т/га, (в слое 0 – 50 см – 4,37 т/га). По запасам азота данные почвы приближаются к подзоли стым и сероземным почвам. Максимальным количеством азота характеризуется сред неокультуренная почва – 4,37 т/га. Несмотря на это, такого количества азота недоста точно, чтобы сформировать высокое эффективное плодородие. Запасы азота в гуму совом горизонте дерново-подзолистых почв по данным М.В. Васильева (2011), соста вили для целинной лесной почвы - 3,13 т/га, для хорошоокультуренной почвы – 9, т/га, для среднеокультуренной – 6,0 т/га. Окультуренные дерново-подзолистые почвы характеризуются гумусом с высокой обогащенностью азотом (C : N 8), лесная поч ва – очень низкой, отношение C : N в гумусовом горизонте составили 23,45. Таким образом, почвы, сформированные в гумидных ландшафтах, имеют низкое содержание гумуса и валового азота, обусловленное в одном случае, высокой биологической ак тивностью и связанной с этим большой минерализацией органических остатков, с другой стороны потери азота связаны с нисходящей миграцией в нижележащие гори зонты.
5.2. Групповой и фракционный состав гумуса. Состав гумуса тропических почв характеризуется рядом специфических особенностей, отличающих их от других типов почв, и, несомненно, связанных с биоклиматическими условиями, в которых они формируются (Эбарра, 1995, Орлова с соавт, 2007). Прежде всего, необходимо отметить практически полную растворимость гумуса в процессе фракционирования, которая достигает 96% от общего С. Таким образом, все органическое вещество, со держащееся в почве, представлено практически исключительно гумусовыми кисло тами.
Качественный состав гумуса всех красных ферраллитных почв характеризуется низким содержанием гуминовых кислот и преобладанием по профилю фульвокислот (Чернов с соавт., 2009) Только в пахотном горизонте хорошоокультуренной почвы содержание гуминовых кислот увеличивается, составляя до 37% от общего количест ва углерода (табл. 6). Среднеокультуренная красная ферраллитная почва содержит 36% гуминовых кислот. Минимальное содержание гуминовых кислот в составе об щей массы гумуса (16,6%) характерно для красной ферраллитной лесной почвы.
Окультуренные почвы характеризуются гуматно-фульватным типом гумуса (Сгк:Сфк = 0,60 - 0,63), целинная лесная почва – фульватным (Сгк:Сфк = 0,26). Среди гуминовых кислот полностью три фракции выделены только в красной ферраллитной хорошоокультуренной почве. Большую часть из них занимает фракция 2, связанная преимущественно с кальцием (42%), затем идет фракция 1, свободные гуминовые ки слоты (34%) и на долю третьей фракции приходится 24% от всех гуминовых кислот данной почвы. В составе фульвокислот во всех почвах преобладающей фракцией яв ляется фракция 1, наибольшее ее количество в хорошоокультуренной почве (40% от общего С). В работах И. Силла (1993) и С. Эбарра (1995) данный факт объясняется тем, что сохранение этой фракции в ферраллитных почвах связано с нерастворимо стью ее в кислых растворах. Доля «агрессивных» фульвокислот – фракция 1а - высока только в лесной почве (9,8% от Собщ). Во вторую фракцию фульвокислот (ФК-2) вхо дят фульвокислоты, извлекаемые непосредственно щелочной вытяжкой, а также фульвокислоты, связанные с кальцием и растворимые в щелочи только после декаль цирования почвы. Данная фракция не обнаружена в окультуренных почвах, в целин ной почве содержание ее доволько высокое (17% от общего С). Третья фракция фуль вокислот обнаружена во всех изученных нами почвах, ее содержание изменяется ма ло и составляет в среднем 14,5% от общего С.
Таблица 6 - Групповой и фракционный состав гумуса исследуемых почв* Фракция ФК Фракция ГК Почва Собщ, ГК/ н/о Гумус, % фк % 1 2 3 1а 1 2 0,13 0,17 0,10 0,40 0,05 0,43 0 0,15 0,63 0, 0, Красная ферраллитная хорошоокультуренная 1,74 1,07 12,34 15,93 9,0 37,35 4,32 40,09 0 14,47 58,88 3, Аh (0 – 25) 0,08 0,11 0 0,19 0,03 0,21 0 0,08 0,31 0, 0, Красная ферраллитная среднеокультуренная 0,90 0,52 14,54 21,81 0 36,35 5,08 39,62 0 14,54 59,23 4, Аh (0 – 17) 0,10 0 0,07 0,17 0,10 0,20 0,18 0,15 0,63 0, Красная ферраллитная, лес 1,18 1,02 9,80 0 6,80 16,60 9,80 19,60 17,6 14,70 61,70 0,26 21, А (3-19) 0,32 0,12 0,18 0,62 0,15 0,09 0,06 0,23 0,53 0, 1, Дерново-подзолистая хорошоокультуренная 3,20 1,89 16,80 6,60 9,30 32,70 7,90 5,00 3,10 12,10 28,10 39, Р (0 - 32) 0,28 0,01 0,18 0,47 0,06 0,10 0,14 0,15 0,45 0, 1, Дерново-подзолистая среднеокультуренная 1,80 1,07 26,20 1,00 16,80 44,00 5,60 9,40 13,10 14,00 42,10 13, Р (0 - 32) 2,42 0 0,53 2,95 0,33 0,69 0,64 0,92 2,53 1, 1, Дерново-подзолистая, лес 11,8 6,83 35,40 0 7,70 43,10 4,80 10,20 9,40 13,50 37,90 19, АY(4 – 18) * в числителе - углерод в % к почве, в знаменателе – углерод в % к Собщ.
Несмотря на то, что в окультуренных красных ферраллитных почвах суммар ное содержание фульвокислот остается на уровне целинной лесной почвы, увеличи вается количество гуминовых кислот 1 фракции, а также появляются ГК-2. Состав гумуса изменяется от фульватного в почве леса до гуматно-фульватного – в окульту ренных почвах.
Характерной особенностью хорошоокультуренных дерново-подзолистых почв является возрастание в составе гумуса доли негидролизуемого остатка (Пономарева, Плотникова, 1980). В пахотной почве, по сравнению с целинной она возросла с 19 до 39,2%, что связано с внесением в почву с органическими удобрениями полугумифи цированных веществ, прочно связанных с минеральной частью почвы и трудно из влекаемых при химической обработке.
Генетическим признаком дерново-подзолистых почв является доминирование в составе гуминовых кислот первой фракции – «бурых» гуминовых кислот (БГК) (По номарева, Плотникова, 1980). В серогумусовом горизонте целинной почвы содержа ние этой фракции равно 35,4 % от Собщ. На долю гуминовых кислот фракции 3 прихо дится 7,7 % от Собщ. Гуминовые кислоты фракции 2 не были обнаружены. Состав гу муса фульватно-гуматный, отношение Сгк:Сфк = 1,1. В окультуренных дерново подзолистых суглинистых почвах фракционно-групповой состав изменяется мало и не выходит за рамки типа гумусообразования, обусловленного биотермическим ре жимом, оставаясь фульватно-гуматным.
ГЛАВА 6. СОДЕРЖАНИЕ ГРУПП И ФОРМ СОЕДИНЕНИЙ ЖЕЛЕЗА И АЛЮМИНИЯ В ДЕРНОВО-ПОДЗОЛИСТЫХ И КРАСНЫХ ФЕРРАЛЛИТНЫХ ПОЧВАХ 6.1. Содержание и распределение групп и форм соединений железа. Важной генетической характеристикой почв является поведение железа в профиле, распреде ление групп и форм соединений железа.
Во всех анализируемых разрезах красных ферраллитных почв Республики Чад отмечается элювиально-иллювиальный тип распределения всех форм железа. К наи более активным формам Fe относят несиликатные (свободные) формы, способные мигрировать по почвенному профилю (Зонн, 1982). Характер их распределения в профиле окультуренных красных ферраллитных почв аналогичен распределению ва лового железа и имеет четкий поверхностный минимум. Соотношение двух основных групп соединений железа, характеризующих степень выветривания почвенной толщи и характер почвообразования, имеет следующую закономерность. В пахотных гори зонтах силикатное железо, прочно связанное в минералах, превосходит по количеству свободные формы, их соотношение выше единицы. В хорошоокультуренной почве данный коэффициент составляет 1,21, в слабоокультуренной - 1,29 (табл.7).
Ведущую роль среди свободных форм железа играют окристаллизованные фор мы соединений. В окультуренных почвах эти формы соединений Fe преобладают в средней части профиля, составляя более 50% от валового содержания. Аморфные формы соединений содержатся в незначительных количествах (максимальное значе ние обнаружено в среднеокультуренной почве - 4,06% от валового железа).
В пахотных горизонтах почв содержание аморфных соединений возрастает в связи с образованием органо-минеральных комплексов, содержащих железо. Высокие температуры, хорошая аэрация почв, окислительные условия, периодическое иссуше ние благоприятствуют кристаллизации аморфных форм и переходу их в окристалли зованные. В красной ферраллитной типичной почве леса содержание аморфных форм железа минимальное и не превышает 2% от валового содержания. Распределение ок ристаллизованных соединений равномерно по всему профилю и составляет от 40 до 34% от валового содержания железа.
Таблица 7 - Содержание соединений железа в почвах гумидных ландшафтов Fe2O3, в % от валового содержания Почва Гори- сили- несили- амор- окристал- КШ зонт катное катное фное лизованное Fesil / Fedit Fesil Fedit Feохl Fedit - Feоxl Красная ферраллитная почва Аh 54,80 45,20 3,60 41,60 0,08 1, АВhm 50,38 49,62 2,92 46,69 0,06 1, Хорошокульту Вm 44,29 55,71 1,62 54,10 0,03 0, ренная В 40,63 59,38 1,02 58,35 0,02 0, Аh 56,25 43,75 4,06 39,69 0,09 1, АВmFe 43,42 56,58 2,37 54,21 0,04 0, Среднеокульту ВmFe 39,29 60,71 0,80 59,91 0,01 0, ренная ВFe 36,59 63,41 0,37 63,05 0,01 0, А0 57,70 42,30 1,82 40,48 0,04 1, А 60,10 39,90 1,33 38,57 0,03 1, АВ 64,52 35,48 0,87 34,61 0,02 1, ВFe1 64,08 35,92 0,95 34,97 0,03 1, Лес 61,11 38,89 0,67 38,22 0,02 1, ВFe Дерново-подзолистая почва Р1 74,71 25,29 12,70 12,59 0,50 2, Р2 76,00 24,00 12,70 11,30 0,53 3, АYEL 76,10 23,90 8,50 15,40 0,36 3, Хорошокульту BEL 67,30 32,70 9,30 23,40 0,28 2, ренная BТ 79,30 20,70 6,10 14,60 0,29 3, P1 66,00 34,00 16,00 18,00 0,47 1, P2 63,60 36,40 10,70 25,70 0,29 1, Среднеокульту- 45,70 54,30 13,60 40,70 0,25 0, AYEL ренная BEL 58,90 41,10 12,10 29,00 0,29 1, 85,00 15,00 8,50 6,50 0,56 5, BТg АY 71,80 28,20 20,90 7,30 0,74 2, Лес BEL 92,20 7,80 9,20 1,40 1,18 11, BТg 75,00 25,00 13,90 11,10 0,55 3, Соединения железа в дерново-подзолистых почвах являются индикаторами со стояния ландшафтной физико-химической обстановки и характеризуют направление почвообразовательного процесса. Валовое содержание железа в исследуемых почвах колеблется в пределах от 1,1 до 5,2%.
Почвы среднеожелезненные, развитие оксидогенеза оцениваемое в почве по от ношению Fedit / Feвал для выбранных объектов составляет 0,26 – 0,35 и характеризуется как умеренно низкое. Показатель накопления железа в почвах носит сильноаккумуля тивный характер (RC 0,60) (Шабанов, 2007). Дерново-подзолистые пахотные почвы слабо дифференцированы по содержанию несиликатного и аморфного железа.
6.2. Содержание и распределение групп и форм соединений алюминия. Во всех изученных образцах почв алюминий находится главным образом в силикатах (более 78,27% от валового). Наибольшее его количество выявлено в красной феррал литной почве леса, а наименьшее в красной ферраллитной хорошоокультуренной почве под культурой арахиса. Содержание свободного алюминия варьирует. Мини мальное его значение обнаружено в почве леса – 9,54% от валового, максимальное значение 21,73% в пахотном горизонте хорошоокультуренной почвы. Литературные данные показывают, что высокое содержание несиликатного алюминия обусловлено, прежде всего, интенсивностью выветривания в кислой среде, при хорошем дренаже и наличии обильных быстроразлагающихся растительных остатков (Гахамани, 1978;
Зонн, Гахамани, 1981;
Зонн, Травлеев, 1992). В красных ферраллитных почвах Чада невысокое содержание несиликатных соединений алюминия связано, по-видимому, с преобладанием в их минералогическом составе каолинита (Karpoff, Bocquier, Isnard, Tardy, 1973).
Увеличение содержания несиликатного алюминия с глубиной указывает на вы щелачивание подвижных форм соединений алюминия из верхних горизонтов. Наибо лее интенсивно этот процесс протекает в красной ферраллитной хорошо окультурен ной почве разреза 1.Среди свободных форм преобладающей является окристаллизо ванная. В хорошоокультуренной почве ее содержится не менее 81,6% от несиликат ного алюминия и 17,7% от валового. В среднеокультуренной красной ферраллитной почве содержится также не менее 81% от несиликатного алюминия и 13,7% от вало вого.
В дерново-подзолистой почве леса Киришского района силикатные формы со единений алюминия преобладают над несиликатными. При этом обнаружена прямая корреляционная зависимость между содержанием несиликатных форм соединений алюминия и рН (r = 0,74). Поступающие из гумусовых горизонтов и органогенного горизонта (лесная почва) гумусовые кислоты активно воздействуют на силикатные минералы, тем самым связывают алюминий в органоминеральные комплексы, и в ус ловиях свободного дренажа (промывного типа водного режима) выносятся в нижеле жащие горизонты (Шабанов, Плылова, 2006).
Содержание различных форм соединений алюминия в лесной почве неравно ценно. Так, аморфные формы соединений преобладают, отношение Alам : ил = 1, указывает на их совместную миграцию (при r = 0,65), корреляционная зависимость наблюдается также с реакцией среды (r = 0,60). Окристаллизованные формы соедине ний алюминия составляют от 3 до 25% от валового содержания алюминия, с мини мальным содержанием в иллювиально-текстурном оглеенном горизонте. Корреляци онная зависимость наблюдается между содержанием окристаллизованных и несили катных форм соединений (r = + 0,69).
Характер их распределения по профилю различен: в целинных почвах и в хоро шоокультуренных - элювиально-иллювиальное, а в среднеокультуренной почве - бо лее сложное с увеличением в горизонте АYEL и дальнейшей аккумуляцией в нижней части профиля. На фоне слаборазвитого оглеения сильнее проявляется подзолистый процесс, и накопление несиликатного алюминия может быть его следствием, тем бо лее что такое распределение связано главным образом с окристаллизованными фор мами. Окристаллизованных форм соединений алюминия в дерново-подзолистых почвах содержится: в целинных лесных 2,11%, в пахотной хорошоокультуренной почве 1,64%, а в среднеокультуренной почве 1,25%.
В среднеокультуренной почве наблюдается высокое содержание силикатного алюминия по всему почвенному профилю. Содержание несиликатных форм соедине ний алюминия различно, из них преобладают по массе – окристаллизованные формы.
Соотношение количества окристаллизованных и аморфных соединений алюминия соответствует усилению влияния окислительных условий в верхних горизонтах почв.
При этом отмечена корреляционная зависимость между содержанием гумуса и неси ликатными формами соединений r = 0,60 (причем между окристаллизованными фор мами и содержанием гумуса она составляет 0,70) и между рН и несиликатными фор мами (r = 0,50).
Присутствие алюминия в достаточно большом количестве в разных формах в почвах, участие его в элементарных почвообразовательных процессах, изменение его поведения в зависимости от условий среды, и влияние на рост и развитие растений предопределяют большой интерес к нему исследователей и позволяет использовать его в качестве диагностического показателя при выяснении классификационного по ложения почв. Однако накоплено недостаточное количество фактического материала об участии алюминия в почвенных процессах тропических почв и почв умеренной зоны, о трансформации его соединений при антропогенном воздействии различной интенсивности на почвы ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 1. Изучаемые красные ферраллитные и дерново-подзолистые почвы характеризу ются типичным для них составом и свойствами. Реакция в лесных почвах изменяется от сильнокислой в дерново-подзолистой (рНКСl 3,41) до среднекислой в красной фер раллитной (рНКСl 4,80). Реакция в окультуренных разновидностях в дерново подзолистых почв и среднеокультуренной красной ферраллитной почве является близкой к нейтральной (рНКСl 6,55, 5,84 и 5,77 соответственно), в красной ферраллит ной хорошоокультуренной - среднекислой (рНКСl 4,66).
Гидролитическая кислотность в красной ферраллитной почве леса изменяется от 6,60 до 10,8 ммоль/100 г. Наибольшие ее величины характерны для лесной дерново подзолистой почвы (26,2 ммоль/100 г). В окультуренных красных-ферраллитных поч вах значения гидролитической кислотности снижены (1,23 – 7,0 ммоль/100 г), осо бенно в верхних гумусовых горизонтах. Емкость катионного обмена в дерново подзолистых почвах более высокая (16 ммоль/100 г почвы), чем в красных ферраллитных почвах (9,07 – 7,86 ммоль/100 г почвы). Среди обменных катионов преобладают Са2+ и Мg2+.
2. Гранулометрический состав дерново-подзолистых почв является легкосуглини стым, в нижней части профиля - среднесуглинистым;
красные ферраллитные почвы обладают легкосуглинистым, с незначительным утяжелением по профилю, грануло метрическим составом.
3. Данные валового анализа дерново-подзолистых почв указывают на перераспре деление алюмосиликатной части профиля: вынос из верхних горизонтов Al2O3 и Fe2O3 и накопление их в нижележащих иллювиальных горизонтах. Полуторные окси ды красных ферраллитных почв также распределяются по профилю по элювиально иллювиальному типу. В изучаемых красных ферраллитных почвах невысокое содер жание железа (2,5 – 8,2%) вызвано их опесчаненностью и глубокой аллитизацией ис ходной коры выветривания (преобладанием Al2O3 над Fe2O3). Валовое содержание железа в дерново-подзолистых почвах колеблется от 1,1 до 5,2%. Содержание каль ция и магния в красных ферраллитных почвах очень низкое (0,02 - 0,10%), оно значи тельно ниже, чем в дерново-подзолистых почвах (0,5 - 1,00%).
4. Красные ферраллитные почвы имеют очень низкую обеспеченность основными элементами питания – азотом, фосфором и в особенности калием и запасы их в слоях 0 - 20, 0 - 50 см незначительны. Дерново-подзолистые почвы имеют лучшую обеспе ченность азотом и фосфором, в них высокие запасы калия.
5. Особенностью всех исследованных почв является слабая гумификация гумуса.
Содержание гумуса не превышает 2% в красных-ферраллитных почвах и 3,2% в дер ново-подзолистых почвах. Групповой и фракционный состав гумуса красных ферраллитных почв отличается высокой (80 – 95%) растворимостью гумуса. В окуль туренных почвах суммарное содержание фульвокислот остается на уровне целинной почвы, но увеличивается количество гуминовых кислот 1 фракции, а также появляют ся ГК-2. Состав гумуса изменяется от фульватного в почве леса до гуматно фульватного – в окультуренных почвах.
В дерново-подзолистых почвах возрастает доля негидролизуемого остатка: в хо рошоокультуренной почве, по сравнению с целинной она увеличена с 19,0 до 39,2%, что связано с почвообразовательным процессом и внесением в почву с органических удобрений. В составе гуминовых кислот хорошоокультуренных почв появляются ГК-2. Однако состав гумуса не выходит за рамки фульватно-гуматного типа.
6. В процессе окультуривания красных ферраллитных почв изменяется соотноше ние силикатных и свободных форм железа. В целинной почве силикатное железо, прочно связанное в минералах, превосходит по количеству свободные формы, их со отношение выше единицы. Антропогенная нагрузка и окультуривание приводят к увеличению содержания аморфных форм. Дерново-подзолистые пахотные почвы сла бо дифференцированы по содержанию несиликатного и аморфного железа.
7. Во всех изученных образцах красных ферраллитных почв алюминий находится главным образом в силикатах, наибольшее его количество выявлено в красной фер раллитной почве леса (82,63% от валового содержания). В дерново-подзолистой лес ной почве преобладают несиликатные соединения алюминия (56,19% от валового со держания), в окультуренных вариантах содержание силикатных форм увеличивается, достигая 77,08% в горизонте АYEL.
СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Хисен Мискин Кафине. Изменение физико-химических свойств красных 1.
ферраллитных почв Республики Чад в процессе окультуривания // Известия СПбГАУ, 2009. № 15. - С. 11 - 16.
Хисен Мискин Кафине. Кислотно-основные свойства красных ферраллитных 2.
почв Республики Чад // Научное обеспечение развития АПК в условиях реформиро вания. Сб. научных трудов. СПбГАУ, 2009. - С. 152 - 155.
Хисен Мискин Кафине. Сравнительная характеристика почв гумидных ланд 3.
шафтов на различных корах выветривания // Материалы Всероссийской научной конференции XIV Докучаевские молодежные чтения «Почвы в условиях природных и антропогенных стрессов» / Под ред. Б.Ф. Апарина. - СПб.: Изд-во СПбГУ, 2011. - С.
96 - 97.
Хисен Мискин Кафине, Чернов Д.В., Сравнительная характеристика почв 4.
гумидных ландшафтов на различных корах выветривания на примере форм со единений железа // Известия СПбГАУ, 2010. № 19. - С. 110 - 115.
Чернов Д.В., Хисен Мискин Кафине, Плылова И.А. Влияние окультуривания 5.
на содержание и состав гумуса в красных ферраллитных почвах Республики Чад // Гумус и почвообразование. СПбГАУ, 2009. - С. 75 - 78.
Чернов Д.В., Хисен Мискин Кафине. Содержание соединений алюминия в 6.
красных ферраллитных почвах Республики Чад // Известия СПбГАУ, 2010. № 21. - С. 66 - 70.