Состав гумуса дерново-подзолистых супесчаных и суглинистых почв при известковании, окультуривании и состоянии залежи
На правах рукописи
ПЛЫЛОВА Ирина Анатольевна
СОСТАВ ГУМУСА ДЕРНОВО-ПОДЗОЛИСТЫХ
СУПЕСЧАНЫХ И СУГЛИНИСТЫХ ПОЧВ ПРИ ИЗВЕСТКОВАНИИ,
ОКУЛЬТУРИВАНИИ И СОСТОЯНИИ ЗАЛЕЖИ
Специальности: 06.01.01 – общее земледелие
03.02.13 – почвоведение
АВТОРЕФЕРАТ
Диссертации на соискание ученой степени
кандидата сельскохозяйственных наук
Санкт-Петербург – Пушкин 2011 Диссертационная работа выполнена на кафедре почвоведения им. Л.Н. Александровой ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный аграрный университет»
Научный руководитель: доктор сельскохозяйственных наук, Литвинович Андрей Витальевич
Официальные оппоненты: доктор сельскохозяйственных наук, профессор Попов Александр Иванович доктор сельскохозяйственных наук, профессор Цыганова Надежда Александровна
Ведущая организация: Государственное научное учреждение «Ленинградский научно-исследовательский институт сельского хозяйства Российской академии сельскохозяйственных наук»
(ГНУ ЛНИИСХ Россельхозакадемии).
Защита состоится 24 февраля 2012 года в 12 часов на заседании диссертационного совета Д 220.060.01 при Санкт-Петербургском государственном аграрном университете по адресу: 196601, Санкт-Петербург, г. Пушкин, Петербургское шоссе, дом 2, корпус 1а, аудитория 330. Тел. (812) 476-44-44, доб. 298, факс: (812) 476-03-50, e-mail: [email protected]
С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Санкт-Петербургского государственного аграрного университета.
Автореферат разослан «20» января 2012 года и размещен на сайте Минобрнауки РФ
Ученый секретарь диссертационного совета А.Л. Кокорина доктор сельскохозяйственных наук, профессор
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Актуальность проблемы известкования почв России связана с наибольшими по сравнению с другими странами площадями почв с избыточной кислотностью. На сельскохозяйственных угодьях с повышенной кислотностью в нашей стране ежегодно не добирается около 20 млн. тонн продукции в пересчете на зерно. Резко снижается эффективность минеральных удобрений, ухудшается экологическая обстановка окружающей среды, падает качество сельскохозяйственной продукции.
Согласно современным представлениям гумусу принадлежит ведущая роль в формировании почвенной кислотности (Небольсин, Небольсина, 2010). К настоящему времени в литературе накоплен определенный фактический материал, посвященный влиянию известкования на содержание и состав гумуса дерново-подзолистых почв (Бакина, 1987, 2011;
Небольсин, Небольсина, 1998, 2005, 2010;
Литвинович с соавт., 2000). Однако этот вопрос нельзя считать до конца изученным.
По мнению И.А. Шильникова (2002) именно исследования, посвященные влиянию известкования на отдельные группы и фракции органического вещества, остаются в числе основных задач теории и практики известкования, необходимых для решения в ближайшие годы. До настоящего времени не ставился вопрос о предельно возможном уровне изменения гумусового состояния почв различного гранулометрического состава в результате известкования.
Современный этап развития сельского хозяйства России характеризуется значительным сокращением площади сельскохозяйственных угодий. С 1990 по год их количество сократилось со 131,8 до 116,1 млн. га (Деградация и охрана почв, 2002). При этом перестали возделываться значительные площади высоко окультуренных и мелиорируемых земель, которые составляют ближайший резерв пахотного клина Северо-Запада России (Апарин, 2007).
По материалам Государственного доклада о состоянии и использовании земель в Российской Федерации в 2007 году, подготовленного Федеральным агентством кадастра объектов недвижимости, на 1 января 2008 г. площадь залежей составила – 5,1 млн. га. В Ленинградской области с 1990 по 2006 год из хозяйственного оборота исключено 44 тыс. га пахотных угодий (Основные показатели АПК…, 2007).
В Нечерноземной зоне залежные земли представляют собой массивы, занятые многолетней травянистой растительностью, постепенно зарастающие кустарником и деревьями. В результате этого происходит трансформация строения профиля и морфологии почв, начинают преобладать естественные процессы почвообразования.
В связи с сокращением площади обрабатываемых угодий актуальным становится изучение направленности и скорости изменения параметров почвенного плодородия окультуренных почв во времени, так как в дальнейшем это поможет правильно проводить мероприятия по их восстановлению.
Цель и задачи исследования. Целью настоящих исследований являлось установление направленности изменений гумусного состояния целинной дерново подзолистой супесчаной почвы под влиянием возрастающих доз мелиоранта;
выявление изменений морфологического строения, кислотно-основных свойств и состава гумуса дерново-подзолистой суглинистой почвы при окультуривании и выведении ее из хозяйственного оборота в залежь.
Задачи исследований:
1. Определить влияние известкования на фракционно-групповой состав гумуса целинной дерново-подзолистой супесчаной почвы при использовании мелиоранта в широком интервале доз. Выявить предельно возможный уровень изменения гумусного состояния почв легкого гранулометрического состава при химической мелиорации;
2. Проследить изменения морфогенетических и кислотно-основных свойств целинной дерново-подзолистой суглинистой почвы при мелиоративном освоении и окультуривании с последующим исключением ее из хозяйственного оборота;
3. Изучить состав гумуса целинной дерново-подзолистой суглинистой почвы и его изменение при окультуривании;
4. Установить скорость утраты положительных изменений в составе гумуса окультуренной дерново-подзолистой почвы в процессе длительного залежного состояния.
Научная новизна работы. Впервые проведено изучение направленности и глубины трансформации гумусного состояния кислой дерново-подзолистой супесчаной почвы под влиянием известкования в широком интервале доз. Выявлен предельно возможный уровень изменения гумусного состояния почв данной разновидности при химической мелиорации.
Впервые в условиях Северо-Запада Нечерноземной зоны России проведен детальный сравнительный анализ изменений морфологического строения, химического состава и гумусного состояния хорошо окультуренной дерново подзолистой суглинистой почвы на разных стадиях залежности в возрастном ряду 10, 15, 35 и 68 лет.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Нейтрализация почвенной кислотности в результате известкования приводит к увеличению содержания всех фракций гуминовых кислот. Предельный уровень накопления в составе гумуса наиболее ценной в агрономическом отношении фракции гуминовых кислот, связанной с кальцием (ГК-2) не велик и не превышает 15% от общего содержания углерода почвы. В составе фульвокислот продолжают доминировать «агрессивные фракции», принимающие активное участие в подзолообразовании;
2. Ведущим фактором формирования гуминовых кислот в дерново-подзолистых почвах является биоклиматический. Даже в контролируемых условиях вегетационного опыта (оптимальная влажность, достаточный запас легкогумифицированного материала, избыток кальция) гумусовые кислоты не достигает наивысшей степени гумификации, свойственной черноземам;
Плодородие пахотных почв региона – следствие того уровня агротехники, в 3.
результате которого оно было достигнуто. Выведение хорошо окультуренных почв в залежь со временем неизбежно приводит к утрате положительных изменений, достигнутых в результате окультуривания.
Рекомендации производству:
1. Известкование является средством коренного улучшения кислых почв.
Необходимо вернуться к объемам химической мелиорации почв в гумидных районах в объемах, характерных до 1990 года.
2. В исследуемом возрастном ряду залежи суглинистого гранулометрического состава высокого уровня окультуренности до 35-летнего возраста сохраняют положительные изменения кислотно-основных свойств и состава гумуса достигнутых в результате антропогенного воздействия. Для их возвращения в сельскохозяйственный оборот не требуется серьезных затрат и дорогостоящих культуртехнических мероприятий.
Апробация работы. Основные результаты диссертации представлены и доложены 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 образования и науки РФ.
Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, глав, выводов и приложений. Диссертация изложена на 112 страницах печатного текста, содержит 15 таблиц, 15 рисунков. Список использованной литературы включает 143 наименования, в том числе 3 источника литературы на иностранном языке.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
1. СОВРЕМЕННЫЕ ВЗГЛЯДЫ НА ПРОЦЕССЫ ФОРМИРОВАНИЯ ПОЧВЕННОЙ КИСЛОТНОСТИ И РОЛЬ ИЗВЕСТКОВАНИЯ В УСТРАНЕНИИ НЕБЛАГОПРИЯТНЫХ СВОЙСТВ ДЕРНОВО-ПОДЗОЛИСТЫХ ПОЧВ В первой главе дан обзор литературы, в котором отражено изучение природы почвенной кислотности в историческом аспекте. Рассмотрены основные гипотезы формирования потенциальной (обменной и гидролитической) кислотности почв. На основе современных представлений показана роль гумусовых веществ в формировании почвенной кислотности. Описана роль известкования как средства коренного улучшения кислых почв.
2. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ 2.1. Объекты исследований. Объектом для изучения влияния возрастающих доз мелиоранта на изменение фракционно-группового состава гумуса служили образцы дерново-подзолистой супесчаной целинной почвы из разных вариантов вегетационного опыта.
Вегетационный опыт проводился 4 года. В сосудах последовательно выращивали рапс, вику, ячмень и рапс. Анализу подвергнута почва после уборки вики, когда в большинстве вариантов опыта было достигнуто полное растворение мелиоранта. Повторность опыта - четырехкратная. Масса почвы в сосуде - 5 кг.
Удобрения применяли ежегодно из расчта 0,2 г д.в. NPK на 1 кг массы почвы в форме азофоски (16:16:16). Интервал доз мелиоранта от 0,8 до 24 т/га. Влажность почвы в период роста и развития растений поддерживали на уровне 60% от полной полевой влагомкости (ППВ).
Физико-химическая характеристика почвы до закладки опыта: рНКСl 4,1, гумус 3,02%, содержание частиц менее 0,01 мм - 18,6%, Нг - 10 ммоль/100 г почвы Изучение изменения состава и свойств залежных (бывших окультуренных почв) проводили изучая дерново-подзолистые легкосуглинистые почвы. Почвы сформированы на однородной почвообразующей породе, представленной моренными слабокаменистыми бескарбонатными суглинками, расположенными на одинаковых уровнях сглаженных моренных увалов.
Согласно почвенно-географическому районированию (Подзолистые почвы …, 1979), данная территория расположена в граничной области Карельской и Прибалтийской провинции тажно-лесной зоны (граница Киришского и Волховского районов Ленинградской области, деревня Черенцево).
Объектами исследования послужили образцы, отобранные из целинной (лесной) и пахотной почвы, а также залежей 10, 15, 35 и 68-летнего возраста. На каждом из выбранных массивов отбивали пробные площадки размером 10 x 10 м, на них закладывали базовый почвенный разрез, вокруг которого делали дополнительно прикопки. Пробы почв отбирали из 3-х стенок разреза каждого горизонта.
Одновременно устанавливали плотность сложения почв методом режущих стаканов.
Все наблюдения проводили в горизонте А1 целинной лесной почвы и в пахотном горизонте окультуренной почвы. Анализ гумусово-аккумулятивного горизонта разновозрастных залежей осуществляли послойно: непосредственно под слоем дернины в зоне наибольшего распространения корней травянистой растительности и в нижней, более уплотненной части, где количество корней значительно меньше.
2.2. Методы исследований. Полевое обследование проводилось в соответствии с руководством по производству почвенных изысканий (Классификация и диагностика почв СССР, 1977). Проведено морфологическое описание профилей изучаемых почв. В основу исследований были положены сравнительно аналитический и сравнительно-хронологический методы (Роде, 1971, Розанов, 2004).
Исследования были проведены в учебной лаборатории на кафедре почвоведения им. Л.Н. Александровой (СПбГАУ). Подготовка почвы осуществлялась следующим образом. Почву высушивали, измельчали и пропускали через сито с диаметром ячеек 1 мм. Для определения содержания и состава гумуса был проведен отбор корешков и просев через сито с диаметром ячеек 0,25 мм. В лабораторных условиях при определении основных физико-химических показателей использованы Гостированные методы. При их отсутствии применяли стандартные методики (Аринушкина, 1970, Александрова, Найденова, 1986). Данные исследований обработаны статистически.
3. ВЛИЯНИЕ ИЗВЕСТКОВАНИЯ НА ФРАКЦИОННО-ГРУППОВОЙ СОСТАВ ГУМУСА ДЕРНОВО-ПОДЗОЛИСТОЙ СУПЕСЧАНОЙ ПОЧВЫ 3.1. Влияние возрастающих доз мелиоранта на фракционно-групповой состав гумуса. В вегетационном опыте по изучению влияния возрастающих доз мелиоранта на фракционно-групповой состав гумуса было установлено, что применение средств химизации не повлияло на общее содержание гумуса в почве.
Выявленные отличия между вариантами опыта были не достоверны (табл. 1).
Таблица 1 - Фракционно-групповой состав гумуса дерново-подзолистой супесчаной почвы, произвесткованной возрастающими дозами мелиоранта, % к общему С почвы Фракции гуминовых кислот Фракции фульвокислот СГК Вариант Собщ НО ГК-1 ГК-2 ГК-3 ГК ФК-1а ФК-1 ФК-2 ФК-3 ФК ГК+ФК СФК % Почва до закладки опыта 1,7 17,2 3,5 6,4 27,1 10,3 3,5 10,9 4,6 29,3 56,4 43,6 0, Фон (NPK) 1,7 13,1 5,4 11,6 30,1 11,5 12,5 2,2 3,6 33,6 63,7 36,3 0, Фон + КМ (0,1Нг) 1,6 17,0 7,3 9,1 33,4 14,6 14,0 6,1 7,3 42,0 75,4 24,0 0, Фон + КМ (0,3Нг) 1,5 18,4 9,2 7,2 34,8 13,8 14,4 9,2 4,6 42,0 76,8 23,2 0, Фон + КМ (0,6Нг) 1,5 18,0 11,3 10,0 39,3 16,0 11,0 7,3 1,3 35,6 74,9 25,1 1, Фон + КМ (0,7Нг) 1,6 17,6 12,5 6,9 37,1 13,2 13,8 4,4 5,0 36,4 73,5 26,5 1, Фон + КМ (0,9Нг) 1,6 15,1 13,6 10,8 39,5 13,3 13,3 4,5 5,5 36,1 75,6 24,2 1, Фон + КМ (1,6Нг) 1,7 16,9 15,1 12,0 44,0 12,6 15,1 2,4 7,2 37,3 81,3 18,7 1, Фон + КМ (2,5Нг) 1,4 15,7 11,4 14,0 41,1 15,0 12,1 7,8 3,3 38,2 79,3 20,7 1, НСР05 0,31 3,51 3,45 3,14 4,04 3,01 - 2,25 1,22 4,11 - 4,55 Таблица 2 – Изменение фракционно-группового состава гумуса дерново-подзолистой супесчаной почвы в процессе разложения мелиоранта, % к общему С почвы Фракции гуминовых кислот Фракции фульвокислот СГК Собщ НО ГК-1 ГК-2 ГК-3 ГК ФК-1а ФК-1 ФК-2 ФК-3 ФК ГК+ФК СФК % Почва до закладки опыта 1,7 17,2 3,5 6,4 27,1 10,3 3,5 10,9 4,6 29,3 56,4 43,6 0, 2007 год Фон + КМ (2.5Нг) 1,4 15,7 11,4 14,0 41,1 15,0 12,1 7,8 3,3 38,2 79,3 20,7 1, 2008 год Фон + КМ (2.5Нг) 1,4 11,4 11,4 19,3 42,1 13,6 12,8 2,1 4,3 39,2 74,3 25,1 1, На долю гуминовых кислот первой фракции (ГК-1) в почве до закладки опыта приходится 17,2% от Собщ почвы. Доля гуминовых кислот второй и третьей фракции (ГК-2 и ГК-3) в сумме не превышает 10% от Собщ почвы. За 2 года проведения эксперимента в сосудах фонового варианта выявлена тенденция возрастания общего содержания гумусовых кислот. В составе фульвокислот (ФК) возросло содержание «агрессивных» фракций (1а+1) и составило 24% от Собщ почвы. На фоне уменьшения содержания гуминовых кислот первой фракции (ГК-1), содержание гуминовых кислот третьей фракции (ГК-3) возросло в 1,8 раза (табл. 1). Выявленные изменения связаны с уменьшением содержания негидролизуемого остатка (НО), количество которого за 2 года эксперимента уменьшилось с 43,6 до 36,3% от Собщ почвы. СГК:СФК = 0,9.
По мнению Л.Н. Александровой (1980) негидролизуемый остаток представляет собой гуминовые и фульвокислоты прочно связанные с минеральной частью почвы, а также полугумифицированные и слабоэкстрагируемые органические вещества. При вовлечении почв в культуру происходит ослабление связей гумусовых кислот с минеральной частью почв, что может привести к пополнению той части гумуса, которая извлекается при воздействии химической обработки.
Существует также мнение, что органическое вещество негидролизуемого остатка – та матрица, из которой формируются гумусовые вещества почвы (Сафонов с соавт., 1992).
На возможность образования гумусовых веществ в условиях вегетационного опыта указывает тот факт, что спустя 2 года после закладки опыта оптическая плотность всех фракций ГК возрастает. Поскольку общее содержание гумуса при этом не меняется, следует констатировать, что в рассматриваемом случае процессы накопления и разложения гумуса сбалансированы. Отношение СГК:СФК также не меняется.
Изменения в составе гумуса в вариантах опыта, охватывающих интервал доз мела от 0,1 до 0,9 Нг сводятся к возрастанию доли гуминовых кислот второй фракции, связанных с кальцием (ГК-2). Согласно современным представлениям гуминовые кислоты второй фракции (ГК-2) являются наиболее ценной в агрономическом отношении фракцией в составе гумуса.
В почве вариантов опыта, произвесткованных повышенными дозами мела (1,6 2,5 Нг), количество негидролизуемого остатка в составе гумуса снижается до 18,7 и 20,7% от Собщ соответственно. Доля гуминовых кислот второй фракции (ГК-2) в составе гумуса почвы, нейтрализованной дозой мела по 1,6 Нг, достигает максимальных значений (15,1% от Собщ почвы).
Таким образом, положительные изменения в составе гумуса дерново подзолистых почв при химической мелиорации сводятся к возрастанию количества гуминовых кислот, связанных с кальцием. Однако их доля (предельно возможный уровень накопления) не велика и не превышает 15% от Собщ почвы, даже при известковании повышенными дозами мелиоранта. Важно однако подчеркнуть, что оптическая плотность гуминовых кислот второй фракции (ГК-2) не высока (Есмг/мл = 12,9 ед.) и не достигает значений, характерных для гуминовых кислот второй фракции (ГК-2) черноземов (Есмг/мл = 20 – 22 ед), где эта фракция является доминирующей в составе гуминовых кислот.
Вне зависимости от дозы вносимого мелиоранта в составе гумуса доля «агрессивных» фракций фульвокислот, принимающих активное участие в подзолообразовании не опускается ниже 24% от Собщ почвы, а состав гумуса, несмотря на некоторое увеличение содержания гуминовых кислот и расширение отношения СГК:СФК, не выходит, согласно классификации Л.Н. Александровой (1980), за рамки фульватно-гуматного типа.
3.2. Изменение состава гумуса в процессе разложения мелиоранта.
Исследования показали, что количество не прореагировавшего мела спустя 2 года после его применения в дозе 2,5 Нг составило ~ 25% от внеснного количества, а полное растворение мелиоранта было достигнуто только после завершения 3-го года эксперимента (Литвинович, Павлова, 2010). Поэтому в образцах почв, отобранных в 2008 году были проведены дополнительные исследования состава гумуса.
В ходе эксперимента было установлено, что по мере разложения мела в почве состав гумуса продолжает изменяться (табл. 2). Так, содержание гуминовых кислот первой фракции (ГК-1) уменьшилось с 15,7% в 2007 году до 11,4% в 2008 году и сравнялось с содержанием гуминовых кислот второй фракции (ГК-2), которое осталось неизменным. На этом фоне количество гуминовых кислот третьей фракции (ГК- 3) возросло с 14,0% в 2007 году до 19,1% в 2008 году. Поскольку общее содержание гумуса и гуминовых кислот за этот период не изменилось, можно заключить, что трансформация гумуса не заканчивается до полного растворения мелиоранта. Предельный уровень накопления гуминовых кислот, связанных с кальцием остался на прежнем уровне.
4. МОРФОГЕНЕТИЧЕСКОЕ СТРОЕНИЕ ПРОФИЛЯ, ПЛОТНОСТЬ СЛОЖЕНИЯ И КИСЛОТНО-ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА ДЕРНОВО ПОДЗОЛИСТЫХ СУГЛИНИСТЫХ ПОЧВ ПРИ ОКУЛЬТУРИВАНИИ И ПРЕКРАЩЕНИИ АКТИВНОГО АНТРОПОГЕННОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ 4.1. Морфогенетическое строение профиля и плотность сложения дерново подзолистых почв. Целинная лесная почва характеризуется наличием подстилки (слаборазложившийся еловый опад), незначительным по мощности гумусово аккумулятивным А1 (4 - 18 см) и слабо выраженным переходным А2В (18 – 27 см) горизонтами. Строение профиля указывает на сопряженное протекание дернового и подзолистого процессов.
Дерново-подзолистая суглинистая пахотная почва используется в сельскохозяйственном обороте более 200 лет. Распашка и окультуривание привели к формированию мощного (32 см) пахотного слоя с хорошо выраженной структурой и однородной темно-серой окраской. Величина слоя с оптимальными для растений параметрами плотности сложения в пахотной почве по сравнению с целиной увеличивается в 2,6 раза (рис. 1).
Нахождение почвы в залежи в течение 10 лет привело к морфологическим изменениям пахотного горизонта: на поверхности выделяется слой рыхлой дернины (Ад 0 - 3 см). Начинается процесс расслоения бывшего пахотного горизонта по плотности сложения и физико-химическим показателям (d3-20 см = 1,23 г/см3, d20-34 см = 1,31 г/см3).
1,5 1, 1, 1,31 1, 1,27 1,23 1,27 1, 1, d, г/см3 1, 1, 0, 0, Лес Пашня 10 лет 15 лет 35 лет 68 лет Верхняя часть гумусово-аккумулятивного горизонта Нижняя часть гумусово-аккумулятивного горизонта Рис. 1. Плотность сложения дерново-подзолистых легкосуглинистых почв.
Процесс расслоения пахотного горизонта продолжается спустя 15 лет после выведения почвы из сельскохозяйственного оборота. В нижней части бывшего пахотного слоя появляются микрозоны оподзоливания и единичные охристые стяжки.
Плотность сложения верхнего подгоризонта составляет - d3-16 см = 1,18 г/см3, нижнего - d16-32 см = 1,28 г/см3 (рис. 1).
Верхняя часть гумусово-аккумулятивного горизонта залежи 35-летнего возраста густо пронизана корневой системой трав, в нижней части бывшего однородного пахотного слоя происходят изменения структуры: появляются более крупные агрегаты с элементами плитчатости. Увеличиваются зоны элювиирования хорошо различимые по светлой окраске. Появляются железисто-марганцевые примазки, отмечено четкое возрастание плотности сложения нижней части бывшего пахотного слоя (d16-33 см = 1,35 г/см3).
Дерново-подзолистая залежная почва 68-летнего возраста характеризуется наличием гумусово-аккумулятивного слоя (2 - 22 см). Плотность сложения верхнего подгоризонта составляет – d2-16 см = 1,0 г/см3, нижнего - d16-24 см = 1,35 г/см3 (рис. 8).
В целом, проведенный анализ морфологического строения верхней части профиля разновозрастных залежей позволяет заключить, что нарушенное обработкой строение профиля после прекращения антропогенного воздействия стремится к своему восстановлению.
4.2. Гранулометрический состав почв. Дерново-подзолистые почвы относительно однородны по гранулометрическому составу и являются легкосуглинистыми. В нижней части профиля происходит утяжеление гранулометрического состава. Для исследуемых почв характерно заметное обогащение профиля мелким песком. Неравномерное распределение ила по профилю указывает на активное протекание подзолообразовательного процесса.
4.3. Кислотно-основные свойства. Для гумусово-аккумулятивного горизонта целинной лесной почвы характерна сильнокислая реакция среды (рНKCl 3,4), высокое значение гидролитической кислотности (25,9 ммоль/100 г почвы). Сумма Са2+ и Мg2+ составляет 10,0 ммоль/100 г почвы, степень насыщенности почв основаниями 27,9 % (табл. 3).
Таблица 3 - Кислотно-основные свойства дерново-подзолистых легкосуглинистых почв Са2+ + Мg2+ Са2+ Гори- Глубина, рНKCl Нг V, % Угодье зонт см ммоль/100 г почвы А1 4 - 18 3,4 25,96 10,0 7,5 27, Лес А2 B 18 - 27 4,2 6,30 9,0 7,0 58, Пашня 0 - 10 6,6 1,40 18,0 16,0 92, Ап 10 - 20 6,6 1,52 16,0 13,7 91, 20 - 32 6,3 1,59 13,7 12,0 89, Залежь А1 3 - 20 6,3 2,61 15,4 11,3 85, 10 лет 20 - 34 6,2 1,99 13,8 8,5 87, Залежь А1 3 - 16 5,9 3,15 15,0 14,3 82, 15 лет 16 - 32 6,1 1,96 13,3 11,3 87, Залежь А1 4 - 16 6,2 3,03 15,7 12,0 85, 35 лет 16 - 33 6,2 2,63 12,7 9,0 83, Залежь А1 2 - 16 4,3 15,21 15,7 10,0 50, 68 лет 16 - 24 4,3 11,77 17,0 13,0 59, НСР05 0,281 0,88 0, Дерново-подзолистая пахотная почва (под культурой картофеля) характеризуется близкой к нейтральной реакцией среды (рНKCl 6,6), не высокой гидролитической кислотностью (1,52 ммоль/100 г почвы), высокой степенью насыщенности основаниями (89,0 – 92,8%). Следовательно, окультуривание привело к оптимизации кислотно-основных параметров дерново-подзолистой почвы.
Снижаются все виды почвенной кислотности, возрастает степень насыщенности почв основаниями. По совокупности морфологических признаков и составу почвенно поглощающего комплекса дерново-подзолистая пахотная почва может быть отнесена к категории хорошо окультуренных (табл. 3).
Состав растительности залежи 10 лет представлен пыреем ползучим, одуванчиком, полынью полевой, крапивой двудомной, манжеткой, купырем.
Нахождение почвы в залежи привело к следующим изменениям кислотно-основных свойств. Выявлена тенденция к снижению величины рНKCl, установлено достоверное возрастание гидролитической кислотности. Сумма Са2+ и Мg2+ составляет 15, ммоль/100 г почвы (табл. 3). Степень насыщенности почв основаниями 85,6%. Тем не менее, кислотно-основные параметры изучаемой почвы в целом остаются благоприятными для посева сельскохозяйственных культур.
Видовой состав растений залежи 15 лет изменяется, появляются злаки – тимофеевка луговая, овсяница луговая, лисохвост луговой, полевица тонкая и бобовые - клевер луговой и мышиный горошек. Кислотно-основные свойства характеризуются следующими показателями: рНKCl снизилось до 5,9, достоверно возросла гидролитическая кислотность, сумма Са2+ и Мg2+ составляет 15,0 ммоль/ г почвы. При введении почвы в хозяйственный оборот на этом этапе не потребуется серьезных затрат на восстановление почвенного плодородия. Достаточно перепашки и дискования дернины.
За период нахождения почвы в залежи от 15 до 35 лет в составе растительности исчезают бобовые (клевер луговой, мышиный горошек). Увеличивается доля злаковых (овсяница луговая, лисохвост луговой, полевица тонкая, луговик дернистый), появляются гипновые мхи. Изменения кислотно-основных свойств свелись к следующему: возросла сумма обменных оснований и снизилась гидролитическая кислотность. На этом этапе при возврате почв в сельскохозяйственный оборот также не потребуется серьезных затрат и дорогостоящих культуртехнических мероприятий.
Наиболее существенные изменения в составе растительности в рассматриваемом возрастном ряду залежных почв произошли за период с 35 до 68 лет. Растительный покров залежи 68 лет представлен травами-ацидофилами – хвощ лесной, купырь лесной, гравилат речной, звездчатка средняя, вероника дубравная, чистец болотный.
Появляется древесная растительность – береза бородавчатая и ель обыкновенная, в подросте – ольха серая, ива белая. Величина рНKCl за этот период снизилась с 6,0 до 4,3 ед., гидролитическая кислотность возросла с 2,8 до 11,8 - 15,2 ммоль/100 г почвы.
На этом этапе для возвращения почв в хозяйственный оборот потребуется сведение леса, корчевка пней, известкование.
Таким образом, при прекращении антропогенного воздействия увеличиваются все виды почвенной кислотности, уменьшается степень насыщенности почв основаниями. Следствием этого является постепенная смена луговой растительности лесным биоценозом. Однако в исследуемом возрастном ряду полного восстановления кислотно-основных свойств почвы не происходит. Изучение показало, что до 35 летнего возраста залежи суглинистого гранулометрического состава высокого уровня окультуренности сохраняют положительные изменения, достигнутые в результате антропогенного воздействия. Для их возвращения в сельскохозяйственный оборот не требуется затрат и дорогостоящих культуртехнических мероприятий.
5. ИЗМЕНЕНИЕ СОДЕРЖАНИЯ, ЗАПАСОВ И СОСТАВА ГУМУСА В ДЕРНОВО-ПОДЗОЛИСТОЙ СУГЛИНИСТОЙ ПОЧВЕ ПРИ ОКУЛЬТУРИВАНИИ И ПРЕКРАЩЕНИИ АКТИВНОГО АНТРОПОГЕННОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ 5.1.Содержание и запасы гумуса в дерново-подзолистых легкосуглинистых почвах. Лесная почва характеризуется высоким содержанием гумуса – 11,8%, который сосредоточен в незначительном по мощности слое (4 - 18 см). С глубиной его содержание резко падает (табл. 4). Запасы гумуса в слое 4 - 32 см составили т/га (рис.2).
Таблица 4 – Изменение содержания гумуса в дерново-подзолистой легкосуглинистой почве при окультуривании Угодье Глубина, см Гумус, % Лес 4 - 18 11, 18 - 27 0, Пашня 0 - 32 3, Вовлечение почвы в сельскохозяйственный оборот привело к тому, что процентное содержание гумуса снизилось в 3,6 раза (табл. 4). Положительное влияние окультуривания связано прежде всего с тем, что мощность гумусово аккумулятивного горизонта возросла до 32 см, а запасы гумуса более равномерно распределены в большем по объему почвенном слое. Запасы гумуса в слое 4 - 32 см – 129 т/га (рис.2).
69 Лес Пашня 10 лет 15 лет 35 лет Запасы гумуса, т/га Рис. 2. Запасы гумуса в слое 4 - 32 см в дерново-подзолистых легкосуглинистых почвах при различном хозяйственном использовании, т/га Десятилетнее нахождение дерново-подзолистой суглинистой почвы в залежи привело к снижению содержание гумуса как в верхнем, так и нижнем подгоризонтах бывшего пахотного слоя (табл. 4). Важно при этом подчеркнуть, что в слое 3 - 20 см содержание гумуса снизилось только на 0,13%, а в слое 20 - 34 см на 0,7%. Таким образом, в данном случае можно говорить лишь о сдерживающем влиянии многолетней травянистой растительности на потери гумуса в зоне распространения основной массы корней. Запасы гумуса в слое 4 - 32 см составили 108 т/га (рис.2).
В последующие 5 лет деградация гумусового состояния залежной (бывшей окультуренной) почвы продолжилась. В слое 3 - 16 см 15-летней залежи содержание гумуса снизилось до 2%, а в слое 16 - 32 см до 1,8 % (табл. 5). Общие запасы гумуса в слое 4 - 32 см уменьшились до 69 т/га (рис.2).
Таблица 5 - Содержание гумуса в дерново-подзолистых легкосуглинистых почвах при разных сроках нахождения в залежи Угодье Глубина, см Гумус, % Залежь 10 лет 3 - 20 2, 20 - 34 2, Залежь 15 лет 3 - 16 2, 16 - 32 1, Залежь 35 лет 4 - 16 2, 16 - 33 1, 2 – Залежь 68 лет 5, 16 - 24 4, НСР05 0, Спустя 35 лет после прекращения хозяйственного воздействия достоверного уменьшения содержания гумуса в слое 4 - 16 см, по сравнению с аналогичным слоем залежи 15-летнего возраста, выявить не удалось. Различия были не достоверны.
Стабильное содержание гумуса, сохранившееся в течение 20 лет в слое распространения основной массы корней свидетельствует об установившемся равновесии между процессами минерализации и новообразования гумусовых кислот и обусловлено относительно стабильными показателями кислотно-основных свойств почв в рассматриваемый отрезок времени.
За этот же период времени содержание гумуса в слое 16 - 33 см упало с 1,8 до 1,5% (табл. 5). Запасы гумуса в слое 4 - 32 см снизились до 61 т/га (рис.2).
Смена луговой травянистой растительности лесным биоценозом неизбежно приводит к нарушению сложившегося равновесия между процессами накопления и минерализации гумуса, в результате чего содержание гумуса в почве 68-летней залежи, занятой вторичным лесом в слое 2 - 16 см возросло до 5,3 % (табл. 5).
Таким образом, при зарастании залежных дерново-подзолистых почв лесом содержание гумуса, характерное для целинных почв и нарушенное при вовлечении их в культуру, постепенно восстанавливается. При этом возобновление древостоя опережает темпы восстановления физико-химических показателей и содержания гумуса.
Фракционно-групповой состав гумуса. В гумусово-аккумулятивном 5.2.
горизонте лесной почвы содержание гуминовых кислот первой фракции (ГК-1) составляет 35,4% от Собщ почвы. На долю гуминовых кислот третьей фракции (ГК-3) приходится 7,8% от Собщ почвы. Фракция гуминовых кислот второй фракции (ГК-2) отсутствует (табл. 6). Суммарное содержание фульвокислот ниже, чем гуминовых.
СГК:СФК=1,1. Содержание негидролизуемого остатка невелико и составляет 19% от Собщ. Гуминовые кислоты лесной почвы обладают низкой оптической плотностью, что говорит об их упрощенном строении.
Вовлечение почв в культуру сопровождается позитивными изменениями в составе гумуса. Следует отметить появление в составе гумуса гуминовых кислот второй фракции (ГК–2), наиболее ценных в агрономическом отношении, доля которых составила 6,6% от Собщ почвы (табл. 6). Можно предположить, что для данной почвы при принятом уровне агротехники такое содержание является максимальным.
Десятилетнее нахождение почвы в залежи привело к возрастанию в составе гумуса верхнего подгоризонта его гидролизуемой части ( ГК+ФК). При этом количество гуминовых кислот второй фракции (ГК–2) уменьшилось, по сравнению с окультуренной почвой, в 2 раза. Оптическая плотность гуминовых кислот первой фракции (ГК-1) остается без изменений, а оптическая плотность гуминовых кислот второй и третьей фракции (ГК–2 и ГК-3) уменьшилась (табл. 7).
Сравнительный анализ состава гумуса верхних и нижних подгоризонтов 15-ти и 35-летних залежей между собой и в пределах одного разреза также не выявило качественных различий. Можно указать лишь на полное исчезновение из состава гуминовых кислот, выделенных из 35-летней залежи с глубины 16 - 35 см, гуминых кислот второй фракции (ГК-2). Возможно, это вызвано ее миграцией в нижележащий слой.
Несмотря на возрастание содержания С гумуса в почве 68-летней залежи, состав ее гумуса мало отличается от состава гумуса ранее рассмотренных объектов, оставаясь фульватно-гуматным. В составе гуминовых кислот доминировали гуминовые кислоты первой фракции (ГК-1). В составе фульвокислот – «агрессивные»
фракции (1а+1), доля которых составила 32,4% от Собщ почвы.
Таблица 6 - Трансформация состава гумуса дерново-подзолистой легкосуглинистой почвы в процессе окультуривания и залежного состояния, % к общему С почвы Фракции гуминовых кислот Фракции фульвокислот Угодье Глубина, Собщ, НО СГК ГК-1 ГК-2 ГК-3 ГК ФК-1а ФК-1 ФК-2 ФК- см ФК ГК+ФК СФК % Лес 4 - 18 6,8 35,4 0 7,8 43,2 4,9 10,2 9,2 13,5 37,9 81,0 19,0 1, Пашня 0 - 32 1,8 16,8 6,6 9,3 32,7 7,9 5,0 3,1 12,1 28,1 60,8 39,2 1, Залежь 3 - 20 1,7 23,3 3,0 13,8 40,1 2,8 17,2 9,9 10,9 40,8 80,9 19,1 0, 10 лет 20 - 34 1,5 23,8 3,4 15,0 42,2 3,4 15,7 5,4 18,7 42,9 85,1 14,9 0, Залежь 3 - 16 1,2 22,2 1,7 16,2 40,1 4,3 17,1 13,7 7,7 42,7 82,9 17,1 0, 15 лет 16 - 32 1,1 26,2 1,0 16,8 44,0 5,6 9,4 13,1 14,0 42,1 86,1 13,9 1, Залежь 4 - 16 1,3 25,1 1,9 19,0 46,0 5,3 10,7 10,7 11,2 37,9 83,9 16,1 1, 35 лет 16 - 33 0,8 23,8 0 22,6 46,4 9,5 1,2 21,4 7,2 39,3 85,7 14,3 1, Залежь 2 - 16 3,1 27,4 2,1 15,5 45,0 3,7 28,7 4,5 8,4 45,3 90,3 9,7 0, 68 лет 16 - 24 2,6 23,0 0,2 12,9 36,1 4,2 7,8 8,5 15,5 36,0 72,1 27,9 1, НСР05 2,65 0,78 1,95 0,50 2,24 1,85 1, Таблица 7 – Изменение оптической плотности гуминовых кислот дерново подзолистых почв в процессе окультуривания и залежного состояния Угодье Глубина, см ГК -1 ГК -2 ГК - Лес 4 - 18 7,9 - 4, Пашня 0 - 32 7,6 12,6 9, 3 - 20 7,6 8,5 6, Залежь 10 лет 20 - 34 7,9 8,1 5, 3 - 16 5,0 7,9 5, Залежь 15 лет 16 - 32 5,1 7,6 5, 4 - 16 7,0 7,4 5, Залежь 35 лет 16 - 33 7,7 - 5, Залежь 68 лет 2 - 16 8,4 9,7 5, НСР05 0,53 0,58 0, Состав гумуса является промежуточным по степени консервативности признаком почв. Поэтому положительные изменения состава гумуса, достигнутые в результате окультуривания, даже спустя 68 лет после выведения почвы из сельскохозяйственного оборота до конца не утрачиваются. В частности, в составе гуминовых кислот обнаруживаются гуминовые кислоты второй фракции (ГК-2), наличие которой в целинной лесной почве не установлено.
В целом, проведенные исследования показали следующее. Пахотные почвы региона не находятся в равновесном состоянии. Выведение их из хозяйственного оборота неизбежно сопровождается утратой положительных изменений достигнутых в результате окультуривания (то есть их деградацией).
ВЫВОДЫ Выбранные для исследований целинные дерново-подзолистые почвы 1.
относятся к супесчаной и легкосуглинистой разновидностям. В естественном состоянии они характеризуются низким уровнем почвенного плодородия:
сильнокислой реакцией среды, низкой степенью насыщенности основаниями, незначительным количеством доступного для растений кальция.
В условиях вегетационного опыта применение возрастающих доз 2.
мелиоранта не повлияло на общее содержание гумуса в супесчаной дерново подзолистой почве. Выявленные отличия между вариантами опыта были недостоверны.
Нейтрализация почвенной кислотности при возрастании дозы мела 3.
приводит к увеличению в составе гумуса всех фракций гуминовых кислот. Однако предельный уровень накопления в составе гумуса наиболее ценной в агрономическом отношении фракции гуминовых кислот, связанных с кальцием не велик и не превышает 15% от общего содержания С почвы даже при использовании повышенных доз мелиоранта. Содержание негидролизуемого остатка уменьшается. Начиная с дозы мела 0,6 Нг отношение СГК:СФК расширяется, но не выходит за рамки фульватно-гуматного типа.
Ведущим фактором формирования гуминовых кислот в дерново 4.
подзолистой почве является биоклиматический. Даже в контролируемых условиях вегетационного опыта (оптимальная влажность, достаточный запас легкогумифицированного материала, избыток кальция) гумусовые кислоты не достигают наивысшей степени гумификации, свойственной черноземам.
Оптическая плотность не превышает величины Есмг/мл = 13 ед. В составе фульвокислот доминируют «агрессивные фракции» (1а+1).
Строение профиля целинной легкосуглинистой лесной почвы 5.
обусловлено сопряженным протеканием дернового и подзолистого процессов.
Мелиоративное освоение и окультуривание приводит к формированию мощного ( – 32 см) и однородного по окраске пахотного слоя. Величина горизонта с оптимальными для растений параметрами плотности сложения в пахотной почве, по сравнению с целинной, увеличивается в 2,6 раза. Снижаются все виды почвенной кислотности, увеличивается степень насыщенности почвы основаниями.
Нахождение почвы в залежи приводит к морфологическим изменениям 6.
бывшего однородного пахотного горизонта. На начальных стадиях в верхней части профиля обособляется слой рыхлой дернины, начинается процесс расслоения бывшего пахотного горизонта по плотности сложения и физико-химическим показателям. Нарушенное обработками строение профиля стремится к своему восстановлению.
При выведении пахотной дерново-подзолистой легкосуглинистой почвы 7.
в залежь положительные изменения, достигнутые в результате окультуривания и известкования постепенно утрачиваются. Увеличиваются все виды почвенной кислотности, уменьшается степень насыщенности почвы основаниями. С увеличением срока залежности указанные изменения усиливаются. Однако в исследуемом возрастном ряду полного восстановления кислотно-основных показателей, свойственных целинной лесной почве не происходит.
Целинная лесная дерново-подзолистая легкосуглинистая почва обладает 8.
высоким содержанием гумуса (11,8%), который сосредоточен в незначительном по мощности гумусово-аккумулятивном горизонте. Распашка и окультуривание привели к снижению содержания и запасов гумуса. Положительные изменения гумусного состояния при окультуривании заключаются в том, что процессами гумусообразования в пахотной почве затронута большая почвенная толща, а гумус равномерно распределен в сформированном пахотном слое. В процессе перехода от пашни к лесу запасы гумуса в залежных почвах уменьшаются.
Позитивные изменения фракционно-группового состава гумуса на 9.
стадии высокой окультуренности сводятся к появлению гуминовых кислот второй фракции, формированию более конденсированных молекул гуминовых кислот, фиксируемых по показателю оптической плотности. Однако, гуминовые кислоты изученных залежных почв остаются на низкой стадии биохимических превращений, а ведущим фактором их формирования остается биоклиматический.
Прекращение антропогенного воздействия приводит к уменьшению в составе гуминовых кислот фракции, связанной с кальцием, количество которой со временем снижается.
До 35-летнего возраста залежи суглинистого гранулометрического 10.
состава высокого уровня окультуренности сохраняют положительные изменения, достигнутые в результате агрогенного воздействия. Для возвращения их в сельскохозяйственный оборот не требуется серьезных затрат и дорогостоящих культуртехнических мероприятий. Спустя 68 лет после выведения из оборота ранее хорошо окультуренной почвы параметры ее почвенного плодородия ухудшаются.
Для возвращения почвы в сельскохозяйственное производство на этом этапе необходимы мероприятия по ее коренному улучшению.
Плодородие пахотных почв региона – следствие того уровня 11.
агротехники, в результате которого оно было достигнуто. Выведение в залежь окультуренных дерново-подзолистых почв неизбежно приводит к их деградации.
СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Статьи изданные в журналах, рекомендованных ВАК:
1. Литвинович А.В., Павлова О.Ю., Плылова И.А. Трансформация состава гумуса кислой дерново-подзолистой почвы под действием возрастающих доз мелиоранта // Известия Санкт-Петербургского государственного аграрного университета. № 15. Изд. СПбГАУ, Санкт-Петербург, 2009. - С. 25–29.
2. Литвинович А.В., Павлова О.Ю., Плылова И.А. Трансформация состава гумуса окультуренной дерново-подзолистой глееватой суглинистой почвы в процессе перехода от пашни к лесу // Известия Санкт-Петербургского государственного аграрного университета. № 21. - Изд. СПбГАУ, Санкт-Петербург, 2010. - С. 58–62.
3. Литвинович А.В., Павлова О.Ю., Плылова И.А. Изменение состава растительного покрова, морфологического строения профиля, содержания и запасов гумуса окультуренной дерново-подзолистой глееватой суглинистой почвы в процессе постагрогенной эволюции // Известия Санкт-Петербургского государственного аграрного университета. № 22. - Изд. СПбГАУ, Санкт-Петербург, 2011. - С. 74–78.
Прочие публикации:
4. Литвинович А.В., Плылова И.А. Изменение кислотно-основных свойств дерново-подзолистой суглинистой почвы в процессе постагрогенной эволюции // Научное обеспечение развития АПК в условиях реформирования. Сб. науч. трудов СПбГАУ. Санкт-Петербург, 2009 – C. 160-164.
5. Литвинович А.В., Павлова О.Ю., Плылова И.А. Изменение фракционно группового состава гумуса дерново-подзолистой глееватой легкосуглинистой почвы в процессе длительного сельскохозяйственного использования // Гумус и почвообразование. СПбГАУ. Санкт-Петербург, 2009. - С. 71–75.