Гумусовые вещества в формировании структурной организации почв техногенных ландшафтов назаровской котловины
На правах рукописи
Бабаев Максим Викторович
ГУМУСОВЫЕ ВЕЩЕСТВА В ФОРМИРОВАНИИ СТРУКТУРНОЙ
ОРГАНИЗАЦИИ ПОЧВ ТЕХНОГЕННЫХ ЛАНДШАФТОВ НАЗАРОВСКОЙ КОТЛОВИНЫ
Специальность 03.02.13 – Почвоведение
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата биологических наук
Красноярск 2012
Работа выполнена на кафедре почвоведения и агрохимии ФГБОУ ВПО «Красноярский государственный аграрный университет»
Научный руководитель доктор биологических наук, доцент
Кураченко Наталья Леонидовна
Официальные оппоненты: доктор сельскохозяйственных наук, профессор Едимеичев Юрий Федорович
кандидат биологических наук, доцент
Жуланова Валентина Николаевна
Ведущая организация Институт почвоведения и агрохимии СО РАН
Защита диссертации состоится «15» марта 2012 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 220.037.01 при ФГБОУ ВПО «Красноярский государственный аграрный университет» по адресу: 660049, г. Красноярск, просп. Мира 90
Тел/Факс: (391) 227-36-09; e-mail: [email protected]
С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ФГБОУ ВПО «Красноярский государственный аграрный университет»
Автореферат разослан « » февраля 2012 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета
кандидат биологических наук Ю.П. Ковалева
Актуальность темы. Рост добычи ископаемых углей путем использования наиболее эффективного открытого способа разработки ведет к крупным потерям в земельном фонде страны, вследствие нарушения почв, пригодных для использования в сельском и лесном хозяйстве. Эти преобразования приводят к появлению техногенных ландшафтов с набором местообитаний, свойства и режимы которых чаще всего лишь отдаленно напоминают аналогичные характеристики естественных экосистем [Курачев и др., 2002]. В настоящее время отвалы Назаровского угольного разреза занимают большие площади. Специфика почвенного покрова на них определяется как естественными факторами почвообразования, так и особенностями техногенеза [Чупрова, Шугалей, 2007].
Изучение особенностей почвообразования в техногенных ландшафтах является актуальным вопросом, так как без восстановления основных почвенно-экологических функций техногенные ландшафты очень длительное время будут негативно влиять на экологическую обстановку в регионе. Исследования структурной организации почв, её формирования с участием гумусовых веществ позволяют оценить степень устойчивости функционирования почв техногенных ландшафтов.
Цель исследований. Изучить роль гумусовых веществ в формировании агрегатного уровня структурной организации почв техногенных ландшафтов, созданных в результате лесной и сельскохозяйственной рекультивации, а также зональных почв Назаровской котловины.
Задачи исследований:
1. Оценить основные уровни структурной организации почв.
2. Установить состав и содержание гумусовых веществ в почвах, их водопрочных и нестойких агрегатах.
3. Определить участие гумуса и его подвижных компонентов в процессах агрегирования почв.
Научная новизна. Получены новые материалы по оценке основных уровней структурной организации техноземов и эмбриоземов, созданных на отвалах угольных разрезов Назаровской котловины. Показано, что различия в гранулометрическом составе почв техногенных ландшафтов и зональных агрочерноземов и серых почв определяют их неодинаковую потенциальную способность к оструктуриванию. Установлено, что взаимосвязь иерархических уровней структурной организации почв в наибольшей степени проявляется на уровне «элементарные почвенные частицы – микроагрегированность». Выявлены особенности состава и содержания гумусовых веществ почв, в т.ч. водопрочных и нестойких агрегатов. Установлено, что компонентами, определяющими стабильность агрегатного уровня исследуемых почв, являются водорастворимые и щелочегидролизуемые соединения подвижного гумуса.
Защищаемые положения:
1. Агрегатный уровень структурной организации техноземов и эмбриоземов глинистого и среднесуглинистого гранулометрического состава соответствует зональным почвам.
2. Почвы, образованные сельскохозяйственной и лесной рекультивацией, близки по содержанию и запасам гумуса к агрочерноземам и серым почвам Назаровской котловины.
3. Формирование агрегатного уровня структурной организации почв техногенных ландшафтов определяется водорастворимыми и щелочегидролизуемыми соединениями подвижного гумуса.
Практическая значимость. Полученные материалы являются основой для разработки научно обоснованных технологий рекультивации, направленных на развитие почвообразовательных процессов. Они могут быть использованы для оценки темпов воспроизводства плодородия почв, сформированных на отвалах, и являются базой для ведения мониторинга.
Апробация работы. Автором опубликовано 12 работ, в том числе по теме диссертации – 6, из них в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, – 1.
Результаты исследований докладывались и обсуждались на IV Международной научно-практической конференции «Аграрная наука – сельскому хозяйству» (Барнаул, 2009); IV Международной научно-практической конференции «Инновационные тенденции развития Российской науки» (Красноярск, 2011); III Международной научно-практической конференции «Почва как связующее звено функционирования природных и антропогенно-преобразованных экосистем» (Иркутск, 2011); Региональной научно-практической конференции «Рациональное биологическое природопользование в Сибири: проблемы и перспективы» (Красноярск, 2011); научных семинарах кафедры почвоведения и агрохимии КрасГАУ (2005–2008); слете участников системы непрерывного образования КрасГАУ (Красноярск, 2008); на заседании краевого отделения Общества почвоведов им. В.В. Докучаева (Красноярск, 2011).
Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 145 страницах, включает 6 таблиц, 26 рисунков, 17 приложений. Состоит из 6 глав, выводов, списка литературы, который представлен 209 источниками, из них 30 иностранных.
Личный вклад автора заключается в выполнении полевых и лабораторных исследований, обработке и анализе полученных результатов, подготовке научных публикаций и докладов.
Благодарности. Автор выражает искреннюю благодарность научному руководителю доктору биологических наук, доценту Н.Л. Кураченко за ценные советы, доктору биологических наук, профессору В.В. Чупровой, доктору биологических наук, профессору Л.С. Шугалей за помощь в проведении полевых исследований, а также сотрудникам кафедры почвоведения и агрохимии КрасГАУ за поддержку на всех этапах выполнения работы.
Глава 1. Современные представления о структурообразовании
Рассмотрена экологическая роль почвенной структуры [Вильямс, 1948; Гедройц, 1955; Вершинин, 1958; Кульман, Климес-Чмик, 1961; Качинский, 1963; Ревут, 1972; Emerson, 1977; Березин, Шеин, 1985; Воронин, 1986] и механизмы ее образования [Менделеев, 1951; Ревут, 1972; Bleke, 1973; Fies, 1978; Макеева, 1988; Усьяров, 2001; Зубкова, Карпачевский, 2001, 2004]. Показано, что развитие и устойчивость почвенной структуры регулируется в большей степени содержанием органического вещества [Антипов-Каратаев, Келлерман, Хан, 1948; Кузнецова, 1966; Хан, 1969; Tisdall, Oades, 1982; Ганжара, Орлов, 1993; Корсунская, Пачепский, 1996; Шинкарев, Перепелкина, 1997; Милановский, Шеин, 1999, 2000, 2002 и др.] и его подвижных компонентов [Ганжара, 1988; Булыгин, Лисецкий, 1996; Масютенко, 2002; Пугачев, Полякова, 2004; Кураченко, 2010 и др.]. Для молодых почв техногенных комплексов вопросы структурообразования с участием гумусовых веществ являются не решенными.
Глава 2. Экологические условия почвообразования Назаровской лесостепи
Приводится анализ физико-географических условий Назаровской лесостепи по опубликованным материалам [Куминова, 1950; Красильников и др., 1955; Лучицкий, 1961; Зятькова, 1977; Салюкова, 1979; Топтыгин и др., 2002 и др.]. Анализ научных трудов [Градобоев, 1954; Трофимов, 1978; Бугаков, 1981; Чупрова, 1981; Танделов, 1997; Шугалей, 1991, 1996, 1997, 1998] дает представление об особенностях почвообразования на техногенных ландшафтах Назаровской котловины и территориях, не нарушенных добычей угля.
Глава 3. Объекты и методы исследований
Объектами исследований явились почвы, созданные на отвалах вскрышных пород Назаровского угольного разреза различными направлениями и способами рекультивации. Почвы техногенных ландшафтов являются идеальными объектами для определения скорости и направления отдельных стадий и элементарных почвообразовательных процессов. Для таких почв всегда хорошо известен «нуль-момен» – начало их формирования [Таргульян, Соколов, 1978]. На наш взгляд, эти почвы также весьма удобны для решения теоретических проблем процесса структурообразования. В исследованиях применен субстантивный подход, отражающий состав и структурную организацию почв [Соколов, 2004]. Изучение почв велось на примере Восточного, Сереженского и Бестранспортного отвалов. Объекты располагались на участках, прошедших лесорастительную и сельскохозяйственную рекультивацию. Образование Восточного и Сереженского гидроотвалов происходило путем смыва водой вскрышных пород и переносом пульпы по трубам в пониженные места. Бестранспортный отвал представляет собой плакорную возвышенность в окружении системы грядообразных и конусных холмов и увалов из вскрышных пород.
Восточный гидроотвал формировался в 1949–1955 гг. и был оставлен под естественное зарастание. В 1971 году здесь были высажены культуры сосны обыкновенной. Сереженский гидроотвал формировался с 1968 по 1981 год. На данном отвале проведена сельскохозяйственная рекультивация, заключающаяся в покрытии спланированных отвалов вскрышных пород гумусовым горизонтом, снятым и складированным перед началом карьерной разработки угольных разрезов. Бестранспортный отвал находится в стадии формирования с 1978 года. Культуры сосны были созданы в 1985 году. Выровненные участки, не покрытые лесными насаждениями, подвергались самозарастанию и в настоящее время используются под пастбище. В качестве зональных почв нами рассмотрены старопахотная серая трансформированная почва (серая лесная), занятая в настоящее время культурами сосны, а также агрочерноземы глинисто-иллювиальные (чернозем оподзоленный и выщелоченный).
На участках исследуемых территорий закладывались ключевые почвенные разрезы на глубину 150–180 см [Гаврилюк, 1981]. Проведено детальное описание профилей почв по морфологическим признакам. Отбор почвенных образцов для определения гранулометрического, микроагрегатного, структурно-агрегатного состава, а так же содержания гумусовых веществ, проводился до глубины 70 см методом колонки в каждом 10-сантиметровом слое почвы. Гранулометрический и микроагрегатный состав определялся пипет-методом по Н.А. Качинскому (1965); структурный состав – по методу Н.И. Саввинова в 3-кратной повторности, водопрочность структурных отдельностей определяли на приборе И.М. Бакшеева в 6-кратной повторности [Методическое руководство…, 1969].
В почвах, а также в выделенных водопрочных (>0,25 мм) и нестойких в воде агрегатах (<0,25 мм), определяли следующие компоненты гумусовых веществ: гумус по И.В. Тюрину (Сгумуса) [Аринушкина, 1970]; подвижный гумус (Спов), состоящий из водорастворимого гумуса (Сн2о), – методом бихроматной окисляемости по И.В. Тюрину [Аринушкина, 1970] и гидролизуемого щелочью (СNаОН и в его составе Сгк и Сфк), по И.В. Тюрину в модификации В.В. Пономаревой и Т.А. Плотниковой (1980). Результаты аналитических определений обработаны статистическими методами [Доспехов, 1985; Дмитриев, 1995] с использованием программы Microsoft Excel.
Глава 4. Морфологические особенности рекультивированных и зональных почв
Почвы отвалов Назаровского угольного разреза, прошедшие лесную рекультивацию, относятся к стволу постлитогенных. Профили их находятся на начальных стадиях формирования (эмбриоземы). Почвы, сформированные технологическими приемами сельскохозяйственной рекультивации и находящиеся в пастбищном использовании, имеют иное классификационное название – техноземы [Чупрова, Шугалей, 2007].
Строение почвенного профиля Восточного гидроотвала определяется сочетанием факторов почвообразования, в той или иной мере преобразованных посредством техно- и биогенеза. Почва характеризуется наличием хорошо сформировавшейся лесной подстилки. Аккумулятивный горизонт (АY 5–12 см) слабо прокрашен гумусовыми веществами. Гумусовый горизонт находится прямо на почвообразующей породе, которая в свою очередь очень не однородна по морфологическим признакам.
Профиль технозема Сереженского гидроотвала имеет хорошо выраженный гумусово-аккумулятивный горизонт (AU 3–30 см) с признаками оглеения и щебнистости. Технология формирования отвала объясняет оглеенность всего профиля технозема. Горизонты С характеризуются сильной степенью дифференциации. Они неоднородны по морфологическим признакам и значительно уплотнены.
Эмбриозем Бестранспортного отвала под культурами сосны имеет маломощный гумусово-аккумулятивный горизонт (АY 5–12 см), который в незначительной степени прокрашен гумусом. Горизонты С в своем составе имеют крупные пятна мелкозема, предающего всей толще очень пеструю окраску, от черной за счет включений угля до коричнево-желтой и палево-сизой, за счет восстановленных и окисленных соединений железа.
Техноземная почва Бестранспортного отвала, созданная в результате биологической рекультивации, имеет хорошо сформированный гумусово-аккумулятивный горизонт мощностью 80 см. Для гумусового горизонта рекультивированных сельскохозяйственных земель свойственны темно-серая неоднородная окраска, а также значительные включения породы и угля.
Таким образом, по морфологическим признакам строение молодых техногенных почв существенно различается. Отличия, главным образом, отражаются в выраженности органогенных и органо-минеральных горизонтов. Общим морфологическим признаком горизонтов С на отвалах является наличие в них крупнозема из плотных обломочных пород, а также плиток и пластинок аргиллита, алевролита и бурого угля. Гумусово-аккумулятивные горизонты этих почв лежат непосредственно на почвообразующих породах.
Профили серой почвы и агрочерноземов имеют типичные свойства и признаки, в полной мере отвечающие зональным почвам Назаровской котловины.
Глава 5. Структурная организация почв
5.1. Гранулометрический состав
Почва, как и любой объект, характеризуется несколькими уровнями структурной организации. На самых низких уровнях такими элементами являются элементарные почвенные частицы (ЭПЧ), соотношение которых в почве определяет её гранулометрический состав.
Гранулометрический состав почв техногенных ландшафтов Назаровской котловины разнообразный, что определяется способом их формирования и характером вскрышных пород (рис.1). Почва, сформированная на Восточном гидроотвале, диагностируется по гранулометрическому составу как легкосуглинистая иловато-мелкопесчаная. Технозем Сереженского гидроотвала имеет легкоглинистый иловато-пылеватый гранулометрический состав. Почвы Бестранспортного отвала в культурах сосны и на пастбище близки по гранулометрическому составу и характеризуются как среднесуглинистые пылевато-мелкопесчаные.
Зональные серые почвы региона характеризуются тяжелосуглинистым гранулометрическим составом, агрочерноземы – легкоглинистым. Внутрипрофильное распределение основных гранулометрических фракций соответствует их генетическим особенностям.
5.2. Микроагрегатный состав
Почвы техногенных ландшафтов и зональные почвы имеют различное соотношение и распределение фракций микроагрегатов в профиле и характеризуются неодинаковой устойчивостью агрегирующих связей микроструктуры (рис.1). Установлено, что эмбриозем Восточного гидроотвала характеризуется неудовлетворительной способностью к агрегированию. Почва отличается невысоким содержанием истинных микроагрегатов (26–19%) и низким коэффициентом агрегированности (23–31%). Микроагрегированность почвы, созданной на Сереженском гидроотвале, выражена хорошо. Она в полной мере соответствует уровню черноземов естественного сложения. Подтверждением этому является высокое содержание истинных микроагрегатов (43–56%) и высокий коэффициент агрегатности (80–87%). Уровень микроагрегированности почв Бестранспортного отвала соответствует почве Восточного гидроотвала. Агрегирующая способность здесь выражена слабо. Коэффициент дисперсности под посадками сосны равен 16–20%. На пастбище способность к образованию устойчивых микроагрегатов снижена более чем в два раза (16–45%).
Тяжелосуглинистый и легкоглинистый гранулометрический состав зональных почв определяет их высокий уровень микроструктурной организации твердой фазы, что подтверждается низкими коэффициентами дисперсности и высокими значениями содержания истинных микроагрегатов и коэффициента агрегированности.
5.3. Структурно-агрегатный состав
Анализ сравнения содержания агрономически ценных фракций (АЦФ) и водоустойчивых агрегатов (ВА) свидетельствует, что структурно-агрегатный состав техногенных почв различен (табл.). Технозем, сформированный на Сереженском гидроотвале, отлично оструктурен по содержанию структурных агрегатов ценного размера и их водоустойчивости. Структурные отдельности морфологически хорошо выражены и сопоставимы с таковыми в зональных почвах. Структурное состояние эмбриозема на Восточном гидроотвале хорошо выражено в слое 0–20 см и снижается до удовлетворительного в слое 20–40 см. Водопрочность структурных агрегатов здесь соответствует неудовлетворительному состоянию. Почвы Бестранспортного отвала обладают отлично и хорошо выраженной структурой.
А Б В Г
Д Ж З
А Б В Г
Д Ж З
1,-0,25 мм 0,05-0,01мм 0,005-0,001 мм
0,25-0,05 мм 0,01-0,005 мм <0,001 мм
Рис. 1. Гранулометрический (I) и микроагрегатный (II) состав почв Восточного (А) и Сереженского (Б) гидроотвалов, Бестранспортного отвала в культурах сосны (В) и на пастбище (Г), серой трансформированной почвы (Д), агрочернозема глинисто-иллювиального элювиированного (Ж), агрочернозема глинисто-иллювиального типичного (З), %
Специфика структурно-агрегатного состояния зональных почв полностью сопоставима с их морфологическим обликом. Почвы хорошо оструктурены, водопрочность структурных отдельностей имеет отличные и хорошие показатели.
Структурно-агрегатный состав почв, %
| Пробная площадь | АЦФ | ВА | ||||
| 0-20 см | 20-40 см | 0-40 см | 0-20 см | 20-40 см | 0-40 см | |
| Восточный гидроотвал, сосна | 64,2 | 46,1 | 55,2 | 69,2 | 28,3 | 48,8 |
| Сереженский гидроотвал, пастбище | 86,1 | 83,7 | 84,9 | 90,1 | 88,4 | 89,3 |
| Бестранспортный отвал, сосна | 82,8 | 72,3 | 77,6 | 74,5 | 64,8 | 69,7 |
| Бестранспортный отвал, пастбище | 66,3 | 76,9 | 71,6 | 65,7 | 62,3 | 64,0 |
| НСР05 | 7,8 | 8,3 | - | 8,5 | 4,5 | - |
| Серая трансформированная | 76,2 | 50,9 | 63,3 | 76,9 | 68,7 | 72,8 |
| Агрочернозем глинисто-иллювиальный элювиированный | 55,6 | 66,8 | 61,2 | 69,0 | 68,0 | 68,5 |
| Агрочернозем глинисто-иллювиальный типичный | 55,0 | 71,0 | 63,0 | 79,9 | 86,6 | 83,2 |
| НСР05 | 17,0 | 15,8 | - | 13,1 | 16,6 | - |
При ранжировании средних величин содержания агрономически ценных фракций и водопрочных агрегатов в 0–40-см слое установлен следующий ряд техногенных почв Назаровской котловины: технозем Сереженского гидроотвала (85–89%) > эмбриозем Бестранспортного отвала в культурах сосны (78–70%) > технозем Бестранспортного отвала на пастбище (72–64%) > эмбриозем Восточного гидроотвала (55–49%).
Анализируя структурную организацию техногенных и зональных почв Назаровской котловины, следует отметить взаимосвязь её иерархических уровней. В наибольшей степени она проявляется на уровне «элементарные почвенные частицы – микроагрегированность» (рис. 2).
Установлено, что гранулометрический состав почв Назаровской котловины на 98% определяет уровень их микроагрегированности. Агрегатный уровень структурной организации, выражающийся содержанием агрономически ценных и водоустойчивых отдельностей, достоверно не сопряжен с уровнем ЭПЧ и микроагрегатов (r = -0,19–0,60).
А Б В
Рис. 2. Зависимость между гранулометрическим составом и коэффициентом агрегирования (А), содержанием агрономически ценных фракций (Б), водоустойчивых агрегатов (В)
Глава 6. Структурообразующая роль гумусовых веществ в почвах техногенных ландшафтов и ненарушенных экосистем
6.1. Содержание и структура гумусовых веществ
Формирование системы гумусовых веществ почв техногенных ландшафтов обусловлено технологией, видом рекультивации и влиянием окружающих естественных ландшафтов. В целом гумусное состояние эмбриоземов и техноземов оценивается от очень низкого до очень высокого уровня, который в свою очередь обусловлен наличием в профиле значительного количества угольной пыли.
Как правило, чем больше в почве гумуса, тем выше содержание его подвижных соединений. Такая зависимость хорошо иллюстрируется в почвах отвалов. Эмбриозем Восточного гидроотвала отличается небольшой концентрацией Сн2о. Максимальное содержание щелочегидролизуемых соединений (329 мгС/100 г) приходится на поверхностный 0–10-см слой. Для технозема Сереженского гидроотвала, характерна существенная аккумуляция подвижных соединений в 0–70-см толще. В техноземе Бестранспортного отвала содержание СNаОН достигает 5957 мгС/100 г. Установлено, что в 0–40-см слое технозема на пастбище увеличение концентрации Сн2о сопровождается снижением соединений, гидролизуемых щелочью. Это обусловлено компенсацией водорастворимого гумуса за счет растительных остатков. Техноземы и эмбриоземы Бестранспортного отвала отличаются одинаковой концентрацией Сн2о (55–24 мгС/100 г) и общим характером распределения в профиле. Эмбриозем Бестранспортного отвала, характеризуется меньшим содержанием щелочегидролизуемого гумуса (4376–1428 мгС/100 г).
Гумусовый профиль зональных почв Назаровской котловины имеет свои особенности. Распределение гумусовых веществ в серой почве характеризуется очень низкой их концентрацией (880–300 мгС/100 г). Максимальное содержание водорастворимых соединений гумуса приходится на верхний 0–20-см слой почвы (30–20 мгС/100 г). Профиль агрочернозема глинисто-иллювиального элювиального указывает на значительную аккумуляцию углерода гумуса в 0–70-см слое (6360–5450 мгС/100 г). В пахотном горизонте отмечено уменьшение содержания Сгумуса на 514 мгС/100 г по сравнению с нижележащим слоем 20–40 см. В агрочерноземе глинисто-иллювиальном типичном основные запасы гумуса сосредоточены в 0–30-см слое (5033– 2633 мгС/100 г). Им свойственно более резкое снижение содержания гумуса вниз по профилю. Количественные оценки содержания водорастворимых соединений и характер их распределения в агрочерноземах Назаровской котловины близки между собой. В верхнем 0–20-см слое гумусовых горизонтов отмечено максимальное содержание Сн2о. Исследованиями установлено, что функционирование черноземов в условиях агроценозов сопровождается ухудшением качества их подвижного гумуса.
Выполненные исследования позволяют количественно оценить запасы углерода в компонентах гумуса рекультивированных и зональных почв (рис. 3). Выборки значений по запасам углерода представлены для 0–40-см слоя.
А Б В
Г Д Е
Ж
Рис. 3. Структура гумусовых веществ в эмбриоземе Восточного гидроотвала (А), техноземе Сереженского гидроотвала (Б), эмбриоземе Бестранспортного отвала (В – сосна), техноземе Бестранспортного отвала (Г – пастбище), серой трансформированной почве (Д), агрочерноземе глинисто-иллювиальном элювиированном (Е), агрочерноземе глинисто-иллювиальном типичном (Ж)
Результаты показывают, что в гумусе исследуемых почв преобладают соединения, составляющие фонд стабильного гумуса (59–79%). Исключение составляет эмбриозем Бестранспортного отвала, где доля стабильного гумуса снижена до 42%. Большая часть углерода здесь представлена подвижными продуктами гумуса (58%). В зональных почвах доля подвижного гумуса составляет: 41% в серой почве и 29–32% в агрочерноземах. Это объясняется более высокой степенью гумификации органического вещества в черноземах. В составе подвижного органического вещества доминируют молодые гумусовые кислоты, извлекаемые щелочью. На водорастворимые соединения в исследуемых почвах приходится 1–3%.
В целом запасы гумуса в 0-40-см толще рекультивированных почв оцениваются на близком уровне с серыми почвами и агрочерноземами. Это позволяет заключить, что за период формирования отвалов и произрастания культур сосны и травянистых сообществ на искусственных почвообразующих породах произошло значительное накопление углерода в почвенном блоке.
6.2. Содержание гумусовых веществ в водопрочных и нестойких агрегатах почв
Уникальное природное образование, придающее почве специфическую форму структурной иерархической организации и лежащее в основе всех почвенных функции (почвенный агрегат), имеет пространственную организацию, где главную роль «клеящих веществ» осуществляют гумусовые вещества. На наш взгляд, важным представляется поиск особенностей состава гумусовых веществ агрегатов, определяющих качество структуры.
Исследованиями установлено, что водопрочность структуры почв техногенных ландшафтов и не нарушенных добычей угля территорий Назаровской котловины обусловлена подвижными компонентами гумуса. В эмбриоземе Восточного гидроотвала водопрочность структуры определяется водо-, щелочегидролизуемыми соединениями и фульвокислотной фракцией СNаОН. Процесс формирования водоустойчивых агрегатов почвы Сереженского гидроотвала обусловлен водорастворимым гумусом и гуминовыми кислотами подвижного органического вещества. Для почв Бестранспортных отвалов, отличающихся высокой концентрацией гумусовых веществ, выявлено участие всех компонентов подвижного органического вещества в формировании водопрочных агрегатов. В зональных серых почвах отмечается участие Сфк в склеивании почвенных частиц в агрегаты. Для агрочерноземов установлена роль щелочегидролизуемых соединений и фульвокислот в их составе в процессах формирования водоустойчивости почвенного комка. Таким образом, гумусовые вещества эмбриоземов и техноземов отвалов способны формировать и определять устойчивое функционирование почвенной структуры. Проявляющаяся равнозначная аккумуляция углерода в составе неустойчивых и водопрочных агрегатов может служить показателем равновесного состояния гумусовых веществ рекультивированных и зональных почв Назаровской котловины.
6.3. Участие гумусовых веществ в формировании микро- и макроструктурного состава почв
Процессы формирования и стабилизации агрегатов на различных подуровнях осуществляются разными органическими компонентами. Данное явление находит свое отражение в существовании иерархии почвенной структуры.
Исследованиями установлено, что формирование агрегатного уровня структурной организации зональных почв и почв техногенных ландшафтов определяется гумусовыми веществами. Однако их роль в стабилизации подуровней проявляется неоднозначно. В полученных нами уравнениях регрессии представлены стандартизированные коэффициенты регрессии, показывающие степень и направленность влияния компонентов гумусовых веществ на содержание микроагрегатов, агрегатов агрономически ценного размера и водоустойчивых отдельностей. В стандартизированном масштабе уравнение регрессии для 0–40-см слоя изученных почв имеет следующий вид:
ИМ = 0,260 (Сгумуса) + 0,270 (Сн2о) + 500,60 (СNаОН) - 237,92(Сгк) - - 272,11 (Сфк) при R = 0,99; R2 = 0,98; p = 0,232;
АЦФ* = - 1,27(Сгумуса) + 3,13 (Сн2о) – 2986,03 (СNаОН) + 1401,75(Сгк) + + 1603,59 (Сфк) при R = 0,99; R2 = 0,99; p = 0,002;
ВА = - 0,760(Сгумуса) + 1,56 (Сн2о) – 3459,38 (СNаОН) + 1604,76(Сгк) + + 1874,58 (Сфк) при R = 0,93; R2 = 0,87; p = 0,568,
где ИМ – содержание истинных микроагрегатов, %;
АЦФ – содержание агрегатов агрономически ценного размера, %;
ВА – содержание водопрочных агрегатов, %;
R – коэффициент множественной регрессии;
R2 – коэффициент множественной детерминации;
p – уровень значимости уравнения регрессии;
* – достоверный уровень значимости уравнения регрессии.
Уравнение регрессии показывает, что содержание агрегатов агрономически ценного размера с большой долей вероятности (p = 0,002) определяется гумусовыми веществами. Их вклад в формирование АЦФ оценивается на уровне 99%. Существенную роль в структурообразование вносят щелочегидролизуемые соединения гумуса, в т.ч. гуминовые и фульвокислоты в их составе. Наличие связей между гумусовыми веществами, содержанием микроагрегатов и водоустойчивых фракций также подтверждается высоким коэффициентом множественной регрессии (R = 0,99–0,93). Однако вероятность таких связей в полученной модели оценивается на уровне 23–57%. Содержание истинных микроагрегатов и водоустойчивых фракций в большей степени сопряжено с подвижными гумусовыми веществами, обуславливающими агрегацию почвенных частиц. Таким образом, формирование агрегатного уровня структурной организации молодых почв техногенных ландшафтов, зональных серых почв и агрочерноземов обусловлено подвижными формами гумусовых веществ.
Выводы
1. Почвы техногенных ландшафтов Назаровской котловины, сформированные различными способами рекультивации, обладают легко-, среднесуглинистым и легкоглинистым гранулометрическим составом. В зональных почвах соотношение элементарных почвенных частиц определяет тяжелосуглинистый и легкоглинистый состав.
2. По содержанию истинных микроагрегатов, коэффициенту дисперсности и агрегированности техногенные почвы характеризуются от слабой до высокой микроагрегированности. Зональные серые почвы и агрочерноземы имеют высокий уровень микроструктурной организации твердой фазы.
3. Почвы отвалов, имея оструктуренность от отличной до удовлетворительной, распределяются по содержанию агрономически ценных и водоустойчивых агрегатов в следующий ряд: технозем Сереженского гидроотвала (85–89%) > эмбриозем Бестранспортного отвала в культурах сосны (78–80%) > технозем Бестранспортного отвала на пастбище (72–64%) > эмбриозем Восточного гидроотвала (55–49%).
4. Серые почвы и агрочерноземы в пределах 0-40 см толщи имеют близкие количественные оценки содержания агрономически ценных фракций (61–63%). По уровню агрегированности почвы ранжируются так: агрочернозем глинисто-иллювиальный типичный (83%) > серая трансформированная (73%) > агрочернозем глинисто-иллювиальный элювиированный (69%).
5. Взаимосвязь иерархических уровней структурной организации почв в наибольшей степени проявляется на уровне «элементарные почвенные частицы – микроагрегированность» (r = 0,99).
6. Рекультивированные и зональные почвы Назаровской котловины характеризуются преобладанием стабильных соединений в гумусе (59–79%). Исключение составляет эмбриозем Бестранспортного отвала в культурах сосны, где доля стабильного гумуса снижена до 42%. Подвижные гумусовые вещества в минеральной толще почв техногенных ландшафтов составляют 21–58%, в зональных серых почвах и агрочерноземах – 41–29%.
7. По запасам гумуса и его подвижных компонентов почвы техногенных ландшафтов в 0–40-см слое распределяются в следующий убывающий ряд: технозем Бестранспортного отвала (849,9–272,7 тС/га) > эмбриозем Бестранспортного отвала (297,3–172,9 тС/га) > технозем Сереженского гидроотвала (130,6–36,8 тС/га) > эмбриозем Восточного гидроотвала (29,7– 6,4 тС/га). В зональных почвах запасы Сгумуса и Спов постепенно уменьшаются в ряду: агрочернозем глинисто-иллювиальный элювиированный (207,1–65,4 тС/га) > агрочернозем глинисто-иллювиальный типичный (138,2–44,1 тС/га) > серая трансформированная почва (28,2–11,5 тС/га).
8. Состав и содержание гумусовых веществ в водопрочных и нестойких агрегатах почв отвалов определяется технологией, видом рекультивации и влиянием окружающих ландшафтов; в зональных почвах – типовыми, подтиповыми особенностями и характером их использования. Установлено, что водопрочность структуры исследуемых почв обусловлена подвижными компонентами гумуса.
9. Формирование агрегатного уровня структурной организации почв техногенных ландшафтов, зональных серых почв и агрочерноземов определяется водо- и щелочегидролизуемыми соединениями гумуса. С наибольшей долей вероятности (p = 0,002) они определяют образование агрегатов агрономически ценного размера (R = 0,99) почв Назаровской котловины.
Практические рекомендации
Материалы диссертации по оценке уровней структурной организации и запасам гумусовых веществ почв, сформированных на отвалах, являются базой данных для мониторинговых исследований и рекомендуются для отделов рекультивации угольных разрезов Красноярского края, Управления Федеральной службы по надзору в сфере природопользования по Красноярскому краю, учебных заведениях биологического и сельскохозяйственного профиля.
Основные положения диссертации опубликованы в работах:
- Бабаев М.В. Участие водорастворимого органического вещества в образовании структуры инициальных и зональных почв Назаровской котловины // Современные тенденции развития АПК в России. – Красноярск: Изд-во КрасГАУ, 2007. – С. 12–17.
- Кураченко Н.Л., Бабаев М.В. Особенности структурного состояния серых лесных почв юга Средней Сибири //Аграрная наука – сельскому хозяйству. – Барнаул: АГАУ, 2009. – Кн. 2. – С. 402–403.
- Бабаев М.В. Особенности структурно-агрегатного состояния почв техногенных ландшафтов Назаровской котловины // Экологические альтернативы в сельском и лесном хозяйстве. – Красноярск: Изд-во КрасГАУ, 2011. – С. 21–29.
- Бабаев М.В., Кураченко Н.Л. Микроструктурная организация почв техногенных ландшафтов Назаровской котловины //Вестник КрасГАУ. – 2011. – № 7. – С. 66–72.
- Бабаев М.В. Структурная организация почв техногенных ландшафтов и ненарушенных территорий Назаровской котловины //Почва как связующее звено функционирования природных и антропогенно-преобразованных экосистем. – Иркутск, 2011. – С. 204.
- Бабаев М.В. Содержание и структура гумусовых веществ в почвах техногенных ландшафтов Назаровской котловины //Инновационные тенденции развития современной науки. – Красноярск: Изд-во КрасГАУ, 2011. – С. 12–15.
Санитарно-эпидемиологическое заключение № 24.49.04.953.П. 000381.09.03 от 25.09.2003 г.
Подписано в печать 8.02.2012. Формат 60х84/16. Бумага тип. № 1
Печать – ризограф. Усл. печ. л. 1,0 Тираж 100 экз. Заказ № 1605
Издательство Красноярского государственного аграрного университета
660017, Красноярск, ул. Ленина, 117
