Экология и физические свойства почв оренбургского предуралья
На правах рукописи
КЛЕВЦОВА Ирина Николаевна ЭКОЛОГИЯ И ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОЧВ ОРЕНБУРГСКОГО ПРЕДУРАЛЬЯ 03.00.16 - Экология
Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук
Оренбург-2008
Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Оренбургский государственный университет» Научный руководитель доктор биологических наук, профессор Русанов Александр Михайлович
Официальные оппоненты: доктор биологических наук, профессор Шеин Евгений Викторович доктор биологических наук, профессор Рябинина Зинаида Николаевна Ведущая организация Владимирский научно-исследовательский институт сельского хозяйства РАСХН
Защита состоится 29 октября 2008г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 212.181.05 при Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Оренбургский государственный университет», по адресу:460018, г. Оренбург, проспект Победы, 13, ауд. 6205.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «Оренбургский государственный университет» по адресу:460018, г. Оренбург, проспект Победы, 13.
Текс автореферата размещен на сайте ГОУ ОГУ www.osu.ru 25 сентября 2008 года.
Автореферат разослан сентября2008г.
Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук, доцент Т.Ф. Тарасова
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Почве принадлежит ряд незаменимых функций в биосфере. Среди них плодородие, биоэнергетическая, гидрологическая, газово атмосферная и др (Ковда, 1986). Важнейшая роль в выполнении этих функций принадлежит гумусному состоянию и физическим свойствам почв. Между ними существует тесная генетическая связь. Гумус содержит в своем составе все необходимые для роста и развития растений вещества и, одновременно, обеспечивает формирование почвенной структуры, от которой во многом зависят едва ли не все остальные физические свойства почв, которые, в своей совокупности, определяют объем порового пространства, соотношение воды и воздуха в этом поровом пространстве, количество питательных веществ, их миграцию по почвенному профилю и доступность. Кроме того, такие физические свойства, как гранулометрический состав, микроагрегатный, агрегатный составы определяют проницаемость почвы для корней растений. Известными работами агрофизиков (А.Ф.
Иоффе, Н.А. Качинский, И.Б. Ревут, Н.В. Нерпин, А.Д. Воронин, И.И. Судницын, А.М. Глобус, А.Г. Бондарев, Е.В. Шеин и др.) показано, что физические свойства определяют интенсивность и величину продукционного процесса, ширину оптимума свойств для функционирования растительных сообществ. Таким образом, физические свойства почв формируют те условия, благодаря которым осуществляется синтез одного из важнейших в экологическом плане веществ – почвенного гумуса. Однако остается недостаточно изученной обратная связь, а именно влияние растительного сообщества, других экологических условий на формирование физических свойств почв. Это особенно важно проследить в биоклиматическом аспекте, при смене климатических факторов, обуславливающих рост и развитие соответствующих биоценозов, под которыми формируются почвы с характерными физическими свойствами. Кроме того, изучение взаимосвязи экологии почвообразования с физическими свойствами почв под целинной растительностью является основой для разработки комплекса мероприятий (моделирование условий) по восстановлению свойств деградированных почв агроэкосистем. В связи с этим, актуальность работы продиктована исследованием фундаментальных основ взаимосвязи экологических условий и физических свойств почв, расположенных в меридиональном аспекте, формирующихся под различными ценозами, отличающимися климатическими особенностями, но развивающихся на близких по характеристикам материнских породах.
Хорошо известны биосферные экологические функции почвенного органического вещества, которые отмечены в работах Л.Н. Александровой,Е.А.
Афанасьевой, М.М. Кононова, И.С. Кауричева, Д.С. Орлова, А.М. Русанова, Е.Ю.
Милановского и др. В последнее время в работах по органическому веществу почв указывается на то, что не только общее содержание гумуса, но прежде всего свойства определяют его роль и функционирование в биосфере. Среди этих свойств выделяют амфифильные свойства, которые определяют формирование устойчивой почвенной структуры (гидрофобные компоненты), ответственные за доступность элементов питания для почвенной биоты и перенос веществ в органо-минеральных комплексах (гидрофильные компоненты гумуса) (Милановский, Шеин, 2004;
Милановский, и др.). Однако, особенности формирования соотношения гидрофильных и гидрофобных компонентов гумуса, столь важные в экологическом отношении, для почв Оренбургского Предуралья практически не изучены.
Следует также отметить, что в проблеме взаимосвязи физических свойств и экологических характеристик почв все большее внимание уделяется вопросам изучения неоднородности почв и почвенных свойств. Это обусловлено тем, что почвенное разнообразие тесно связано с биоразнообразием - важнейшей экологической биосферной функцией почвенного покрова. В этой связи изучение варьирования физических 4свойств почв является также весьма актуальной задачей, связанной с такой важной биосферной функцией почв, как сохранение и поддержание биоразнообразия.
Цель данной работы: выявить закономерности взаимосвязи экологических условий гумусоообразования и физических свойств почв Оренбургского Предуралья.
Исходя из целей работы в ее задачи входило:
1. Исследование биоклиматических характеристик, геоботанических и других экологических условий гумусообразования района исследования.
2. Изучение генетических особенностей основных почвенных подтипов Оренбургского Предуралья, расположенных в меридиональном направлении:
чернозема выщелоченного, чернозема типичного, чернозема обыкновенного, чернозема южного, темно-каштановой почвы.
3. Установление взаимосвязи между экологией гумусообразования в ряду указанных почв с амфифильными (гидрофильных и гидрофобных) свойствами почвенного органического вещества.
4. Изучение и эколого-агрофизическая оценка основных физических свойств исследуемых почвенных подтипов.
5. Сравнительное изучение пространственной изменчивости некоторых физических свойств (плотности агрегатов), как одного из факторов, определяющих биоразнообразие.
Объекты исследования. Объектами работы послужили выщелоченные, типичные, обыкновенные, южные черноземы и темно-каштановые почвы Предуралья, расположенные под хорошо сохранившейся естественной растительностью, которая условно принята в качестве целинной.
Научная новизна. Впервые для Оренбургского Предуралья проведено комплексное изучение генетических особенностей и основных физических свойств зональных почвенных подтипов, расположенных в меридиональном направлении, в связи с геоботаническими, биоклиматическими и другими условиями. Показано, что по мере движения в ряду географической зональности почв закономерная смена экологических условий почвообразования проявляется не только в морфологии почвенного профиля и в изменении содержания и запасов гумуса, но и в соотношении гидрофильной и гидрофобной его составляющих и, как следствие, в агрегатной структуре почв. Впервые показано, что пространственная вариабельность такого важного эколого-агрофизического показателя, как плотность агрегатов, связана с генетическими особенностями почв и экологическими условиями их развития.
Практическая значимость. Результаты работы на некоторых участках целинных почв использованы при мониторинге почвенно-растительных условий Оренбургской области. Материалы диссертации могут применяться при создании соответствующих разделов Красной книги почв Оренбургской области. Они вошли в качестве составляющей курсов дисциплин “Экология почв” и “География почв”, читаемых в Оренбургском государственном университете.
Апробация. Основные результаты работ были доложены на Всероссийской научной конференции “Экологические проблемы Южного Урала” (Оренбург, 2007), на IV Всероссийской конференции “Гуминовые вещества в биосфере” (Москва, 2007), на Всероссийской научной конференции “Почва как носитель плодородия” (Санкт – Петербург, 2008), на V Съезде Докучаевского общества почвоведов при РАН (Ростов на-Дону, 2008).
На защиту выносятся:
- связь между экологией почв, условиями гумусообразования с амфифильными (гидрофобно-гидрофильными) свойствами гумуса;
- зависимость физических свойств исследуемых почв от амфифильных свойств гумуса;
- динамика основных физических свойств изучаемых почв в ряду их географической зональности, связанная с изменениями в том же направлении условий почво- и гумусообразования.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 работ, в т.ч. 3 в издании, рекомендованном ВАК РФ для публикации материалов диссертаций на соискание степени кандидата и доктора биологических наук.
Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на страницах;
включает 11 таблиц и 16 рисунков;
состоит из введения, 5 глав, заключения, выводов, практических рекомендаций, списка использованных источников, включающего 141 наименование, в том числе 18 на иностранных языках, и приложения.
Основные положения работы В первой главе анализируются литературные материалы, касающиеся проблемы изучения таких физических свойств, как гранулометрический состав, микроагрегатный и агрегатный составы, а также плотность почв, водопроницаемость и содержание гумуса. На основании анализа многочисленных работ показано, что гранулометрический состав является одной из важнейших агрофизических характеристик почвы, определяющих такие ее важные свойства, как диапазон доступной влаги и веществ в почве. Такие показатели почвенной структуры, как микроагрегатный и агрегатный составы определяют устойчивость почвы к различным воздействиям, а агрономически ценные почвенные агрегаты размером от 0,25 до 10 мм являются основным «хранилищем» доступных веществ и влаги для растений. Содержание агрегатов этого размера и их водоустойчивость определяют потенциальную продуктивность почв, возможность развития разнообразной растительности.
Проблема экологии гумусообразования широко известна в литературе.
Экологические особенности гумусообразования, обусловленные, прежде всего наличием положительных почвенных температур и оптимального диапазона доступной почвенной влаги, которые характеризуются таким показателем, как «период биологической активности» - ПБА. По почвам Оренбургской области в этом отношении известны работы А.М. Русанова, Е.В. Блохина, и др., в которых показано, что ПБА существенно зависит от природно-климатической зоны, а также от особенностей мезоклиматических условий. В этих работах, однако, не указываются особенности такой важной в экологическом отношении характеристики гумуса, как наличие и соотношение гидрофильных и гидрофобных его компонентов. В то же время, именно соотношение этих компонентов указывает на особенности гумуса в отношении его экологических функций в биосфере: при преобладании гидрофильных компонентов гумус подвижен в профиле почв и способствует переносу веществ в почве и за ее пределы;
кроме того гидрофильные компоненты наиболее доступны и являются первым необходимым запасом питательных веществ и энергии для почвенной биоты. Гидрофобные же компоненты определяют устойчивость почвенной структуры к водным и механическим воздействиям, т.е. формируют такую важную экологическую функцию почв, как устойчивость ее структуры (Милановский, Шеин, 2004;
Милановский, 2000, 2006 и др.). Учитывая разнообразные роли амфифильных компонентов гумуса в развитых и экологически устойчивых биоценозах должно соблюдаться примерно равное соотношение указанных составляющих при небольшом преобладании гидрофобных компонентов, ответственных за устойчивость почвенной структуры. Изучение амфифильных свойств почвенного органического вещества в меридиональном направлении в соответствии с изменением биоклиматических условий и составило одну из экспериментальных задач работы.
Анализ литературы по проблеме пространственной вариабельности почвенно физических условий показал, что этому вопросу в последнее время уделяется очень большое внимание, что связанно с общепланетарной проблемой сохранения биоразнообразия. К сожалению, недостаточное количество работ посвящено проблеме варьирования физических свойств почвенных агрегатов как основных компонентов, определяющих физическое состояние почв, а также условия роста и развития растений, функционирования почвенной биоты.
Во второй главе представлены объекты и методы исследования. Объекты исследования располагались в следующих районах Оренбургской области:
выщелоченный чернозем – в Северном районе, чернозем типичный – в Бугурусланском, чернозем обыкновенный – в Грачевском, чернозем южный – в Курманаевском, а темно-каштановая почва – в Первомайском районе. Они расположены в трех различных географических зонах и подзонах – в пределах южной лесостепи, в степи и в границах сухой степи.
Методы исследования включали традиционные лабораторные методы изучения плотности почвы, коэффициента впитывания и других физических свойств (Вадюнина, Корчагина, 1986;
«Методы исследования…», 2000). Ботаническое описание площадок исследования и изучение геоботанических показателей естественной растительности осуществлялись по общепринятым методам (Раменский, 1938, и др.). Определение общего гумуса проводилось по методу И.В.Тюрина (Тюрин, 1937). Интенсивность микробиологической активности почв оценивалась по снижению веса льняной ткани, помещенной в почву (Востров, Петрова, 1961).
Качественное изучение органического вещества проводилось методом хроматографии гидрофобного взаимодействия (ХГВ), разработанной Милановским Е.Ю. (Милановский, 2001). Экстракция гумусовых веществ (ГВ) происходила 0,1М Na4P2O7 + 0,1M NaOH в течение суток при периодическом взбалтывании.
Соотношение почва: раствор - 1:10. Экстракт ГВ очищали от минеральных примесей центрифугированием (8000 об/мин, 15 мин.). ХГВ поводили на Octil-Sepharose CL 4B(Pharmacia). Объем пробы - 0,5 мл, скорость фильтрации - 1 мл/мин, детектирование элюата при 280нм, колонка 1*10 см. Обработка результатов ХГВ происходила с использованием программы МультиХром.
В третье главе рассмотрена экология почв и гумусообразование объектов исследования Все объекты исследования располагались в характерных для данной зоны биоклиматических условиях. Как видно из табл.1 районы исследования существенно отличались по целому ряду важных в экологическом аспекте показателям: по количеству осадков, по гидротермическому коэффициенту, по сумме температур более 10 С, по температурам июля и января месяцев, по продолжительности вегетационного периода и др. Такая разнородность характерна для указанных биоклиматических зон Южного Урала, что дает возможность рассматривать исследуемые почвенные объекты в качестве типичных для исследуемой территории.
Отметим, что все выбранные почвенные объекты относились к тяжелосуглинистым и по фундаментальным свойствам, таким как гранулометрический состав, плотность твердой фазы почвы, удельная поверхность мало отличались друг от друга.
Таблица Основные климатические показатели объектов исследования (по: агроклиматические ресурсы Оренбургской области», 1971 и «Атлас Оренбургской области», 1999) выщелоче типичный обыкнове Чернозем Чернозем Чернозем Чернозем каштанов ая почва южный Темно нный нный Показатели 2200- 2400- 2400- 10 °С 2400 2400 2600 2600 Гидротермич еский 0,8- 0,6 0,8 0,7-0,6 0, 0,7 0, коэффициен т (ГТК) Глубина 100- 100- 120- 120 промерзания 80- 120 120 140, см 370- 350- 300- 310- 310 Осадки, мм 420 400 350 335 Продолжите льность залегания 146- 140- 140- 135- 135 160 155 155 145 снежного покрова, в днях 20- 20,2- 20,2- 20,5- 20,5 t июля, С 20,2 21,9 21,9 22,3 22, -14,2 - -14,4- -15,5- -15,8- -16,9 t января, С 14,4 15,5 15,8 16,9 17, В качестве примера приведем основные физические свойства чернозема типичного тяжелосуглинистого (таблица 2), который характеризуется пониженной плотностью твердой фазы в верхних слоях гумусового горизонта в связи с повышенным содержанием гумуса, стабильным по исследованным глубинам содержанием физической глины и мало изменяющейся с глубиной удельной поверхностью.
Таблица Основные физические свойства чернозема типичного тяжелосуглинистого иловато крупнопылеватого Удельная Плотность Содержани поверхно твердой Растительн Глубин е физ. сть, фазы, ость а,см глины, % Sполн, тв, г/см м2/г 0-5 2,52 56,0 139, Разнотравн 10-15 2,55 56,4 142, о- 20-25 2,58 54,4 141, ковыльно- 30-35 2,56 54,2 142, типчаковая 40-45 2,62 54,5 135, 60-65 2,66 53,8 136, Проведено геоботаническое описание объектов исследования и определения биомассы растений. Все участки работ характерно и заметно отличались по биорастительным условиям, а, следовательно, по видовому составу и по основным геоботаническим показателям растительного покрова. С севера на юг региона, от черноземов выщелоченных до темно-каштановых почв, заметно уменьшается проективное покрытие (с 80-90 до 40-50%), средняя высота травостоя (с 43-48 до 15 20см), надземная фитомасса (с 57,9 до 35,2ц/га), но одновременно растет отношение поземной к надземной фитомассе (с 2,5 до 6,0), что является явным признаком повышения ксероморфности растительного покрова Следует отметить, что по геоботаническим показателям выбранные участки исследования являются весьма характерными для целинных условий Оренбургского Предуралья, характерными не только в отношении закономерной смены растительности и ее количественных геоботанических показателей, но и по условиям формирования и развития почв (таблица 3).
Таблица Геоботанические показатели объектов исследования Почвы, геоботаническая ассоциация обыкновенны разнотравно выщелоченн полынково типчаково типичный, ковыльно ковыльно кострово Чернозем Показатели южный, почва, о ый, й, Общее проективное 80- 85- 65- 65 - 50 покрытие 90% 95% 70% 55% 40% Средняя высота 43- 30- 27- 22-27 15 травостоя, см 48 33 30 Число ярусов 6 5 4-5 4 Фитомасса 57,9 62,7 48,5 35,5 35, надземная, ц/га Фитомасса 144, 179, 226, 235,0 211, подземная, ц/га 3 0 0 Подземная 2,5 2,8 4,6 6,6 6, Надземная Общий запас, ц/га 202, 221, 274, 270,5 256, 2 7 5 Действительно, как следует из таблицы 4, мощность горизонтов А+АВ, по которой оценивают развитие черноземного процесса, его продолжительность и интенсивность, максимальна в черноземе типичном, несколько убывает в черноземе выщелоченном, заметно снижается в более южных разностях (в черноземах обыкновенном и южном).
Таблица Мощности генетических горизонтов почв Оренбургского Предуралья Границы почвенных горизонтов, см.
Черно Черно Гор зем Черно зем Черно и- Темно выще зем обык зем зон каштановая типич но- южны ло ты почва ченны ный венны й й й Горизо Гран Ао 0-4 0-5 0-5 0- нты ицы А 4-27 5-35 5-31 4-23 Ао 0- АВ 27-48 35-50 31- 43 23-33 А 4- В 48-70 50-77 43-69 33-58 В1 29- 70- 77- 69 ВС 58-94 В2 53- 111 105 90 С 111 105 100 94 С Строение гумусового профиля чернозема выщелоченного, типичного и обыкновенного постепенно убывающее. Аналогичные профили южного чернозема и темно-каштановой почвы являются резко убывающими. Темно-каштановая почва, хотя по всем эволюционным характеристикам должна иметь близкие к черноземам величины, однако представлена укороченным (в сравнении с черноземом южным) гумусовым профилем, в котором даже не выделяется переходный горизонт АВ.
Указанные величины весьма характерны и показательны для основных биоклиматических и почвенных зон и подзон региона.
Важным условием гумусообразования является высокая микробиологическая (биологическая) активность почв. Она, в свою очередь, регулируется такими экологическими факторами, как климат, видовой состав растительности и сомкнутость растений, водно-физические свойства почв. Судя по уменьшению льняной ткани, помещенной в исследуемые почвы на 20 дней (с 15 июня по 5 июля 2005года), наибольшей микробиологической активностью обладали выщелоченные и типичные черноземы (убыль составила 28,0 и 26,2 % соответственно), наименьшей – темно-каштановые почвы, где вес ткани уменьшился на 18,8 %.
В соответствии с экологическими особенностями меридионально расположенных почвенных объектов в них изменялось и общее содержание гумуса (таблица 5).
Таблица Содержание гумуса и соотношение в нем амфифильных компонентов для подтипов черноземов и темно-каштановой почвы Оренбургского Предуралья* Соотношение гидрофильной Глубина, Содержание и Почва см гумуса, % гидрофобной фракций гумуса 0-10 6,9 0, 10-20 6,3 н.о.
Чернозем 20-30 5,2 0, выщелоченный 30-40 3,4 0, 40-50 2,7 1, 0-10 10,5 0, 10-20 10,1 н.о.
Чернозем 20-30 9,8 0, типичный 30-40 6,3 0, 40-50 2,7 0, 0-10 6,9 0, 10-20 4,5 н.о.
Чернозем 20-30 5,1 0, обыкновенный 30-40 3,6 н.о.
40-50 2,1 н.о.
0-10 4,9 0, 10-20 4,6 н.о.
Чернозем 20-30 4,3 0, южный 30-40 3,2 н.о.
40-50 1,4 н.о.
0-10 4,3 0, 10-20 4,5 н.о.
Темно каштановая 20-30 3,8 0, почва 30-40 2,0 н.о.
40-50 1,1 н.о.
*н.о. – гидрофильные и гидрофобные компоненты не определялись.
Наибольшее содержание гумуса отмечалось в черноземе типичном. Для него характерны узкое соотношение надземной и подземной биомасс и наиболее развитый гумусовый профиль. Такое оптимальное сочетание высокого содержания гумуса и его распределения по профилю обусловлено его составом, прежде всего соотношением гидрофильных и гидрофобных компонентов, которые определялись методами хроматографии гидрофобного взаимодействия.
Хроматография гидрофобного взаимодействия выявила однотипный фракционный состав гумусовых веществ (ГВ). Во всех проанализированных почвах ГВ представлены идентичными по амфифильным свойствам фракциями. Это согласуется с литературными данными (Милановский, 2000), где подтверждается, что процесс гумификации, независимо от факторов почвообразования и типа почв, имеет одно направление и состоит в отборе и накоплении термодинамически устойчивых продуктов трансформации органического материала.
На рисунке 1 представлены в качестве примера хроматограммы для черноземов выщелоченных, типичных, обыкновенных и южных (для глубины 0- см). Как было предложено Е.Ю. Милановским (2006), в пределах каждой хроматограммы выделено пять фракций, различающихся по степени связывания с гидрофобной матрицей геля.
0, б) а) 0. 0, 0, 0. 0, 0. 0, 0, 0. 0, 0 200 400 600 0 200 400 с) в) 0, 0. 0, 0. 0, 0, 0. 0, 0. 0, 0 0 200 400 600 0 200 400 Рис.1. Хроматограммы гумусовых веществ черноземов выщелоченных (а), типичных (б), обыкновенных (в) и южных (с) для глубины 0-10 см.
Их можно охарактеризовать следующим образом: 1-я – выходящая с потоком стартового буфера (ТРИС-НСl буфер), содержащего максимальное количество сульфата аммония. Это самая гидрофильная фракция, практически не удерживаемая матрицей геля;
2-я – фракция, выделяемая при постепенном снижении концентрации сульфата аммония в ТРИС-НСl буфере;
3-я - фракция, элюируемая чистым ТРИС НСl буфером;
4-я – фракция, выделяемая при градиентном добавлении к буферу поверхностно-активного вещества (SDS);
5-я – фракция, вымываемая щелочным раствором ЭДТА, наиболее гидрофобна.
Из-за разного количества органического вещества в изучаемых объектах (а соответственно и получаемой при экстракции концентрации) сложно сопоставить полученные для разных объектов значения. Важным представляется не абсолютное значение оптической плотности, а соотношение между высотами фракций. В связи с этим, для того, чтобы количественно описать различие в соотношении фракций амфифильных компонентов гумусовых веществ, взято частное от деления высоты пика каждой фракции на высоту пика 4-й, гидрофобной фракции. По предложению Е.Ю.Милановского (2004, 2006) пик 4-й фракции выбран делителем, поскольку он хорошо выражен во всех исследуемых образцах и именно с этим пиком можно связать гидрофобные свойства органического вещества почв. Таким образом, чем выше соотношение фракций 1:4, тем более гидрофилен гумус, чем меньше – тем больше в нем гидрофобных компонентов. Указанное соотношение выбрано показателем для количественного изучения результатов хроматографии.
Рассмотрим общий вид хроматограмм чернозема типичного (рис.1, б), видно, что хорошо выражены максимумы первой гидрофильной и четвертой гидрофобной фракций. Отношение их оптических плотностей (таблица 5) близко к 0,6, т.е.
гидрофобная составляющая гумуса преобладает. Все остальные (2-я, 3-я и 5-я) фракции имеют незначительные величины пиков. Их соотношение с 4-й не превышает 0,4. Из особенностей можно отметить одновершинность всех выделяемых фракций, кроме, иногда, последней. Таким образом, в гумусовом горизонте типичного чернозема наблюдается равновесие гидрофильных и гидрофобных компонентов при некотором преобладании гидрофобных, что указывает на высокую устойчивость почвенных агрегатов а, следовательно, и на высокую экологическую устойчивость этих почв. По мнению ряда авторов (Милановский, 2006;
Милановский, Шеин, 2007 и др.) соотношение 1-ой к 4-ой фракциям, близкое к 0,5-0,6, указывает на хорошее равновесие компонентов, достаточное количество гидрофобных веществ для формирования устойчивых почвенных агрегатов и в то же время необходимое количество гидрофильных компонентов, которые представляют собой основной запас легкодоступных питательных веществ и легко распределяются по почвенному профилю. Учитывая достаточно высокое содержание гумуса в этих почвах можно предположить, что типичные черноземы обладают высокой устойчивостью агрегатов, наибольшими запасами питательных веществ и оптимальным их распределением по гумусовому горизонту. Напротив, в черноземах выщелоченных и обыкновенных, при более низком общем содержании органического вещества, оно в основном представлено гидрофобными компонентами, закрепленными, конденсированными в верхних слоях гумусового горизонта. В то же время отмечается, что легкодоступного для микроорганизмов и растений гидрофильного гумуса в этом горизонте значительно меньше. Последнее обстоятельство нашло своё проявление в относительно пониженной продуктивности (судя по надземной фитомассе) этих почвенных объектов. В крайне южном варианте изучаемого ряда почв, в темно каштановой почве, доминируют гидрофильные фракции при общем низком содержании гумуса. Темно-каштановые почвы наименее экологически устойчивы, в них гумус подвижен, легко передвигается по профилю.
Таким образом, экология гумусообразования в рассмотренном меридиональном ряду почв складывается таким образом, что при наибольшем содержании гумуса соотношение гидрофильных и гидрофобных фракций наиболее равновесно в черноземе типичном. Это указывает на высокую экологическую устойчивость этих почв, наличие в них легкодоступного для почвенной биоты органического вещества и на возможности его распределения по почвенному профилю. Такое, близкое к оптимальному, соотношение между содержанием гумуса и его составом должно определять и физические свойства объектов исследования, изучение которых и составило следующую задачу работы.
В четвертой главе рассмотрены физические свойства объектов исследования.
В соответствии с экологическими условиями гумусообразования (биоклиматическим особенностям и геоботаническим характеристикам), а так же в зависимости от содержания и состава гумуса в рассмотренном ряду почв развиваются их физические свойства. По плотности почв (рис.2) все указанные объекты относятся к оптимальным для функционирования почвенной биоты (Бондарев, 1985;
Шеин, 2005 и др.): ее показатель даже в нижних слоях не превышал 1,4 г/см3. Безусловно, это связано с целинной растительностью, которая и формирует и сохраняет благоприятный диапазон по плотности почв за счет корневой деятельности и большого количества корневого отпада. В соответствии с оптимальной плотность и водопроницаемость этих почв по профилю была высокой, близкой к оптимальной (Качинский, 1965;
Воронин, 1986 и др.), а в некоторых случаях даже близка к излишне высокой (рис.2).
Действительно, если в выщелоченном черноземе в поверхностном горизонте такая водопроницаемость (до 78,1 мм/мин) вполне объяснима особенностями водного режима этих почв, всей их эволюцией, то высокая водопроницаемость темно каштановых почв (15,9 мм/мин) может быть связана с их трещиноватостью, с наличием глыбистой фракции (рис.3). Структурный анализ подтверждает это предположение (рис.4): содержание агрономически ценных агрегатов (т.е. агрегатов размерами от 10 до 0,25 мм) в черноземах колеблется в пределах от 57 до 88 % - для хорошо структурированных почв это содержание должно составлять 60% (Шеин, Гончаров, 2006), - то в темно-каштановой почве содержание агрономически ценных агрегатов снижается до 39 - 53 %. Причем это снижение связано, прежде всего, с увеличением глыбистой (10 мм) фракции.
1. 1. Плотность почвы, г/см Ч.выщ.
1. Ч.тип.
Ч.обыкн.
1. Ч.южн.
1 Т-кашт.
0. 0. 0 10 20 30 40 Глубина, см Рис.2. Изменение с глубиной плотности почвы (г/см3) 2. LOG водопроницаемости, мм/мин Ч.выщ.
1. Ч.тип.
Ч.обыкн.
Ч.южн.
0.5 Т-кашт.
0 10 20 30 40 -0. Глубина, см Рис.3. Изменение с глубиной логарифма водопроницаемости почв (мм/мин) Агроном.ценные агрегаты, % Ч.выщ.
Ч.тип.
Ч.обыкн.
Ч.южн.
Т-кашт.
0 10 20 30 Глубина, см Рис.4. Изменение с глубиной содержания агрономически ценных агрегатов (%) В целом, физические свойства изученных объектов (таблица 6) характеризуются благоприятным состоянием.
Таблица Оценка структурного состояния объектов исследования по основным показателям агрегатного анализа агрегатов, % (водоуст.агр исследования Оценка %) Качинскому Глубина, см Оценка по 0 25 ммпо Долгову и Критерий АФИ, % агроном.
Бахтину ценных К стр. Объект оценка оценка др.
0- 74,8- 2,97- 155 74,0- отл. Отл.
10 хор. хор. хор.
Черноз 10- 58,1- 1,39- 80,4- 129 ем Отл.
20 уд. уд. изб.выс. хор.
выщел 20- 78,7- 3,69- 110 о- 73,0-отл. Отл.
30 хор. хор. хор.
ченный 30- 84,9- 5,62- 134 72,8-отл. Отл.
40 хор. хор хор.
0- 57,1- 1,33- 76,4- 345 Отл.
10 уд. уд. изб.выс. хор 10- 71,9- 2,56- 26,5 Черноз 74,1- отл. Отл.
ем 20 хор. хор. неуд типичн 20- 61,9- 1,62- 35,8 69,3- отл. Отл.
ый 30 хор. хор. неуд 30- 39,9- 0,66- Удо 51,4 67,8- отл 40 неуд. неуд в. удовл 0- 74,0- 2,84- 77,5- 93,3 Отл 10 хор. хор. изб.выс. уд.
Черноз 10- 56,8- 1,31- 82,3- 134 ем Хор.
20 уд. уд. изб.выс хор.
обыкно 20- 66,3- 1,97- 83,3- 170 - Отл.
30 хор. хор. изб.выс хор.
венный 30- 61,0- 1,56- 86,4- 149 Хор.
40 хор. хор. изб.выс хор.
0- 74,4- 2,9- 90,3 65,9- отл. Хор.
10 хор. хор. уд.
10- 83,7- 5,13- 113 Черноз 71,4- отл. Отл 20 хор. хор. хор.
ем 20- 63,6- 1,74- 104 южный 62,2- отл. Хор.
30 хор. хор. хор.
30- 77,6- 2,38- 129 67,6- отл. Отл.
40 хор. хор. хор 0- 53,0- 1,13- 241 54,0- хор. Хор.
10 уд. уд. хор.
Темно- 10- 40,8- 0,69- 30,7- Удо 230 каштан 20 уд. неуд удовл. вл. хор.
овая 20- 47,6- 0,90- Удо 180 44,0- хор.
почва 30 уд. уд. вл хор.
30- 61,1- 1,97- Удо 151 41,3- хор.
40 хор. хор. вл. хор.
Оценка физического состояния изученных объектов исследования по известным в современной физике почв и агрофизике критериям («Полевые и лабораторные методы….», 2000;
Шеин, 2005;
Шеин, Гончаров, 2006). По большинству показателей отличными и хорошими структурными свойствами выделяются черноземы обыкновенный, южный и типичный, а удовлетворительными – темно-каштановая почва. Таким образом, фундаментальные физические свойства исследованных целинных почв благоприятны для функционирования почвенной биоты. Лишь в темно-каштановой почве повышено содержание глыбистой фракции в агрегатном составе, что определяет высокую водопроницаемость этих почв.
Последовательное изменение физических свойств в ряду географической зональности связано, прежде всего, с содержанием гумуса и его составом, которые во многом определяют свойства твердой фазы почвы, образование и устойчивость почвенной структуры. Как указывалось выше, его содержание максимально в черноземе типичном, где соотношение гидрофильных и гидрофобных компонентов гумуса либо оптимально, либо близкое к оптимуму. Меньше гумуса содержится в северных вариантах черноземов – в черноземах выщелоченных, что объясняется такими экологическими условиями как видовой состав и биомасса естественной растительности, а так же водно-тепловым режимом этих почв. К югу от типичных черноземов содержание гумуса снижается;
соответственно увеличивается плотность почвы, уменьшается способность почвы проводить водный поток, т.е.
водопроницаемость. Это еще раз указывает на необходимость сохранять естественную растительность как условие, которое способствует производству и сохранению в необходимом количестве органического вещества почв и от которого, в свою очередь, зависят многие важнейшие генетические свойства черноземов.
В пятой главе исследована вариабельность плотности агрегатов исследованных почв. Варьирование физических условий является одним из факторов сохранения и поддержания биоразнообразия – важнейшей экологической составляющей любого биогеоценоза. При пространственном варьировании физических свойств, таких как порозность, влажность, содержание воздуха и др., создаются разнообразные условия для существования и функционирования разных представителей почвенной биоты, т.е. условия для биоразнообразия (Шеин, 2005;
Шеин, Умарова и др., 2006 и др.). В данной работе исследовалось варьирование физических условий (плотности) в почвенных агрегатах как важнейшей экологической ниши существования и функционирования почвенной биоты.
Характеристики варьирования плотности агрегатов можно интерпретировать как возможности (ширину диапазона) порового пространства агрегатов для функционирования почвенной биоты, запасов питательных веществ и доступной влаги. Статистическая оценка по параметрическим критериям плотности агрегатов гумусовых горизонтов показала (рис.5), что наименьшую плотность имеют агрегаты чернозема типичного, а наибольшую – темно-каштановой почвы.
а) б) 1.5 1. 1. 1. Плотность агрегатов, г/см 1. 1. 1. 1. 1. 1. 1. Median 25%-75% 1.0 1. Min-Max 0-10 10-20 20-30 30-40 0-10 10-20 20-30 30- Глубины, см Глубины, см в) г) 1.6 1. 1. 1. 1. 1. 1. 1. 1. 1. 1. 1. 1. 1.0 1. 0-10 10-20 20-30 30-40 0-10 10-20 20-30 30- Глубины, см Глубины, см д) 1. 1. 1. 1. 1. 1. 1. 1. 0-10 10-20 20-30 30- Глубины, см Рис. 5. Статистики (медиана, 25- и 75%-ные квартили, размах) плотности агрегатов (г/см3) слоев почв 0-10,10-20, 20-30 и 30-40 см для черноземов выщелоченных (а), типичных (б), обыкновенных (в), южных (г) и темно-каштановой почвы (д).
Этот факт еще раз подчеркивает наиболее благоприятные физические условия, складывающиеся в черноземе типичном и, в несколько меньшей степени, в черноземе обыкновенном. Следует также отметить, что по таким параметрическим критериям как стандартное отклонение и дисперсия наибольшее варьирование наблюдается также именно в этих черноземах, а наименьшее – темно-каштановой почве. Это однозначно характеризует указанные объекты как наиболее благоприятные как по плотности агрегатов, так и по условиям их разнообразия, сказывающегося и на условиях биоразнообразия. Оценка пространственного варьирования плотности агрегатов в гумусовых горизонтах исследованных почв по непараметрическим критериям показала, что наибольшее варьирование свойственно агрегатам чернозема типичного, а наименьшее – агрегатам темно-каштановой почве (рис.4).
Чернозем обыкновенный, выщелоченный и южный занимают промежуточное положение в указанной последовательности. Наименьшие медианные и средние значения плотности агрегатов характерны для черноземов типичных, наибольшие – для темно-каштановой почвы;
для других типов черноземов эти показатели достоверно не различаются. Величины варьирования плотности агрегатов указывают на широкий спектр агрофизических условий, формирующихся благодаря варьированию величин удельного объема порового пространства агрегатов и создающих благоприятные условиях для функционирования разнообразной почвенной биоты.
ВЫВОДЫ:
1. В Оренбургском Предуралье в ряду географической зональности при смене климатических условий по сумме температур выше 100 С от 2200-2400 до более С, гидротермического коэффициента – от более 0,8 до менее 0,5, формируются биоклиматические зоны, характеризующиеся сменой растительных ассоциаций и, соответственно, почв от кострово-разнотравной с черноземами выщелоченными к разнотравно-ковыльно-типчаковой с черноземами типичными, ковыльно-типчаковой с черноземами обыкновенными, типчаково-ковыльной с черноземами южными, и к полынково-ковыльно-типчаковой с темно-каштановыми почвами. В том же ряду меняются, постепенно снижаясь, запасы фитомассы и микробиологическая активность почв.
2. Перечисленные экологические условия гумусообразования определяют самое высокое содержание гумуса в черноземах типичных, а самое низкое – в темно каштановых почвах. Они же явились причиной динамики в исследуемых почвах качества гумуса. В типичных черноземах наблюдается оптимальное соотношение гидрофильных и гидрофобных фракций гумусовых веществ (близкое к 0,6), что определяет высокую устойчивость структуры этих почв, наиболее мощный гумусовый профиль и высокое содержание биологически доступных для почвенной биоты питательных веществ.
3. Такие динамичные физические свойства, как плотность почв и водопроницаемость изменяются в указанной последовательности от черноземов типичных и выщелоченных к темно-каштановым почвам в связи с изменением содержания и качества гумуса при относительном постоянстве гранулометрического состава, величин удельной поверхности и плотности твердой фазы почвы.
4. Фундаментальные физические свойства исследованных целинных почв степной и лесостепной зон (черноземов выщелоченных, типичных, обыкновенных, южных и темно-каштановой почвы) благоприятны для функционирования почвенной биоты. Лишь в темно-каштановой почве повышено содержание глыбистой фракции в агрегатном составе, что определяет их излишне высокую водопроницаемость этих почв.
5. Наименьшие медианные и средние значения плотности агрегатов характерны для черноземов типичных, наибольшие – для темно-каштановой почвы;
чернозем обыкновенный, выщелоченный и южный занимают промежуточное положение в указанной последовательности. Величины варьирования плотности агрегатов указывают на широкий спектр агрофизических условий, формирующихся благодаря варьированию величин удельного объема порового пространства агрегатов и создающих благоприятные условия для функционирования разнообразной почвенной биоты.
ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ 1. Моделирование экологических условий гумусообразования в агроэкосистемах позволит улучшить качественно-количественные признаки гумуса, его амфифильность и оптимизировать физические свойства почв, повысив тем самым их продуктивность.
2. Все объекты работ, представляющие собой редко встречающиеся в настоящее время участки целинных ландшафтов с ненарушенными свойствами почв и растительного покрова, следует включить в региональную сеть мониторинга земель с последующим использованием в качестве объекта сравнения (эталонных);
их целесообразно внести в Красную книгу почв Оренбургской области.
3. Участки работ можно использовать как стационарные объекты при прохождении полевых практик студентами почвоведческих и географических специальностей.
ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ:
1. Клевцова, И.Н. Биоклиматические ресурсы и физические свойства черноземов и темно-каштановых почв Оренбургского Предуралья / И.Н. Клевцова, А.Б. Умарова, Л.В. Анилова, 17А.В. Тесля // Вестник Оренбургского государственного университета. - 2007. - №5. - С. 167 – 170.
2. Клевцова, И.Н. Агрофизические и агроэкологические свойства лесостепных и степных почв Южного Урала / А.М. Русанов, А.Б. Умарова, И.Н. Клевцова // Вестник Оренбургского государственного университета. - 2007. - № 75. - С. 293 – 294.
3. Клевцова, И.Н. Научные и практические результаты экологического мониторинга земель Оренбургской области / А.М. Русанов, И.А. Новоженин, Ю.П.
Верхошенцева, И.Н. Клевцова, Г.У. Калиева, Т.С. Шорина, Е.Г. Логинова, С.В.
Звенкова // Вестник Оренбургского государственного университета. - 2007. - № 75. С. 295 - 297.
4. Клевцова, И.Н. Гумусное состояние черноземов Оренбургского Предуралья и его трансформация под влиянием длительного сельскохозяйственного использования : труды IV Всероссийской конференции «Гуминовые вещества в биосфере» / А.М. Русанов, Л.В Анилова, А.В. Тесля, И.Н. Клевцова. – СПб : СПбГУ, 2007. – С. 305 – 310.
5. Клевцова, И.Н. Взаимосвязь гумусного состояния и физических свойств черноземов и темно-каштановых почв Оренбургского Предуралья : материалы Международной научно-практической конференции «Плодородие почв – уникальный природный ресурс – в нем будущее России» и всероссийской научной конференции IX Докучаевские молодежные чтения «Почва как носитель плодородия» / И.Н.Клевцова ;
под редакцией Б.Ф. Апарина. – СПб : СПбГУ, 2008. – С. 184 – 185.
6. Клевцова, И.Н. Влияние свойств степных почв на биоразнообразие растительности сопредельных с лесом пространств : материалы Международной научной конференции «Проблемы биоэкологи и пути их решения (Вторые Ржавитинские чтения)» / А.М. Русанов, Ю.П. Верхошенцева, И.Н. Клевцова ;
редкол.
А.С. Лукаткин. – Саранск : Изд-во Мордов. ун-та, 2008. – С.106-107.
7. Клевцова, И.Н. Физические свойства и особенности их варьирования в черноземах и темно-каштановых почвах Оренбургского Предуралья : материалы V Всероссийского съезда почвоведов им. В.В. Докучаева «Математические методы и модели в почвоведении: от теории к практическому использованию. Педометрика» / И.Н.Клевцова – Ростов – на – Дону : ЗАО «Ростиздат», 2008. – С. 493.