Характеристика пахотного, залежного и целинного чернозема выщелоченного челябинской области
На правах рукописи
Матвеева
Екатерина Юрьевна
Характеристика пахотного, залежного и целинного чернозема выщелоченного Челябинской области
Специальность 06.01.03 – агропочвоведение и агрофизика
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата биологических наук
Тюмень – 2009
Диссертационная работа выполнена в
Институте агроэкологии – филиале ФГОУ ВПО
«Челябинский государственный агроинженерный университет»
| Научный руководитель: | доктор биологических наук, доцент Синявский Игорь Васильевич |
| Официальные оппоненты: | доктор биологических наук Грехова Ираида Владимировна |
| кандидат биологических наук Кайгородов Роман Владимирович | |
| Ведущая организация | Уральская ГСХА |
Защита состоится «22» мая 2009 г. в 15 часов на заседании диссертационного совета Д 220.064.01 при Тюменской сельскохозяйственной академии по адресу: 625003, г. Тюмень, ул. Республики, 7, тел./факс: (3452) 46-87-77
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Тюменской государственной сельскохозяйственной академии.
Автореферат разослан «21» апреля 2009 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета,
кандидат с.-х. наук __________________________ Рзаева В.В.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность исследований. В конце ХХ – начале ХХI в. значительные площади пахотных земель в России были исключены из сельскохозяйственного оборота, выведены в залежь и в настоящее время представляют собой массивы, занятые многолетней травянистой растительностью, постепенно зарастающие кустарником и деревьями.
Восстановление биоценозов на брошенном поле происходит естественным путем. Процесс зарастания залежей достаточно хорошо изучен, определены причины его различий и направленности.
Но физические, химические и биологические процессы, проходящие в почвах, выведенных из сельскохозяйственного оборота, которые можно объединить общим термином – самовосстановление, изучены недостаточно.
Изучение механизмов самовосстановления почв, выведенных из сельскохозяйственного использования, имеет как самостоятельное научное значение, так и определенный практический интерес, связанный с прогнозом их развития.
Цель исследований: Сравнительная оценка состояния пахотного, залежного и целинного чернозема выщелоченного Челябинской области.
Задачи исследований:
- провести сравнение эколого-генетического строения верхней части профиля чернозема выщелоченного целины и различных сельскохозяйственных угодий;
- изучить физические, физико-химические и агрохимические свойства чернозема выщелоченного пашни, целины и исключенного из сельскохозяйственного оборота;
- определить видовое разнообразие, продуктивность фитоценозов и баланс биогенных элементов пахотного, залежного и целинного чернозема выщелоченного;
- оценить экологическое состояние и энергетический баланс чернозема выщелоченного.
Научная новизна исследований. Впервые в условиях лесостепной зоны Челябинской области проведена сравнительная характеристика свойств пахотного и целинного чернозема выщелоченного с его залежными аналогами.
Определено видовое разнообразие, продуктивность фитоценоза и баланс биогенных элементов по мере увеличения возраста залежи чернозема выщелоченного выведенного из сельскохозяйственного оборота. Выявлены изменения строения верхней части почвенного профиля чернозема выщелоченного по мере увеличения возраста залежи относительно целины и пашни.
Дана комплексная оценка экологического состояния чернозема выщелоченного, измененного в процессе сельскохозяйственного использования и постагрогенно-трансформированного при переводе в залежное состояние.
Защищаемое положение. На залежах естественный гумусово-аккумулятивный процесс почвообразования восстанавливает деградированные при сельскохозяйственном использовании природные морфологические, физические, физико-химические, агрохимические и энергетические показатели чернозема выщелоченного.
Практическая значимость работы. Проведена оценка состояния фитоценоза, баланса биогенных элементов и характера изменения свойств пахотного, целинного и залежного чернозема выщелоченного. Полученные результаты могут быть использованы для обоснования разработки систем рационального применения почвенных ресурсов сельскохозяйственными предприятиями Челябинской области, биоэкологического мониторинга почв Уральского региона, при решении вопроса восстановления агрогенно-измененных сельскохозяйственных угодий.
Результаты исследований используются в учебном процессе Института агроэкологии – филиала ФГОУ ВПО ЧГАУ и ФГОУ ВПО «Челябинский государственный агроинженерный университет» при изучении курсов «почвоведение» и «сельскохозяйственная экология»
Апробация работы и публикации. Основные результаты исследований доложены и обсуждены в 2006-2008 гг. на научно-практических конференциях Института агроэкологии – филиала ФГОУ ВПО ЧГАУ. Всего опубликовано 5 статей общим объемом 1 печатный лист, в том числе одна в издании рекомендуемом ВАК.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, выводов, предложений производству, списка цитированной литературы. Работа изложена на 123 страницах, содержит 20 таблиц, 5 рисунков, дополнена 18 приложениями. Список литературы содержит 171 источник, из них 9 на иностранных языках.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
1 Обзор литературы
В главе рассмотрены вопросы современного состояния почвенного покрова и восстановления естественного покрова как фактора изменения свойств чернозема выщелоченного при переходе из пахотного состояния в залежное.
Достаточно подробно описаны смены растительного покрова на залежах в разных природных зонах и причины, вызывающие изменения этого процесса в работах А.Я. Гордягина (1901), Б.Н. Городкова (1913), Е.М. Лавренко (1940), Г.А. Глумова, П.Н. Красовского (1948), П.А. Костычева (1951), Р.В. Кайгородова (2002) и др.
Залежь как прием восстановления почвенного плодородия отмечена в работах таких отечественных и зарубежных ученых как П.А. Костычев (1951), Гюнтер Кант (1982), R.D. Bowden, K.J. Nadelhoffer, R.D. Boone, J.M. Melillo, G.B. Garrison (1993), T.J. Bouma, K.L. Nielsen, D.M. Eissenst, J.P. Lynch (1997), Г.Ф. Манторова (2002), Р.В. Кайгородов (2002), В.С. Зыбалов, М.Н. Кокорева (2005), И.Ф. Медведев, С.В. Каземиров, И.И. Елистратова (2008) и др.
Многолетние травы как альтернатива естественной залежи рассматриваются в работах В.Р. Вильямса (1949), П.А. Костычева (1951), Гюнтера Канта (1982), И.Ф. Медведева, В.А. Гусева, С.В. Каземирова, М.Н. Любимовой (2006), И.А. Тихонович, Ю.В. Круглова (2006) и др.
2 Зональные особенности почвообразования
В этой главе обобщены и проанализированы сведения о таких факторах почвообразования, как климат, рельеф, почвообразующие породы, растительность. Климат лесостепной зоны в целом характеризуется умеренно-теплым вегетационным периодом, периодически промывным водным режимом. Рельеф Зауральского плато представлен возвышенными эрозионно-денудационными равнинами, Тобол-Уй-Миасского междуречья – слабоволнистой равниной с четко выраженным мезо- и микрорельефом в виде разнообразных по величине и форме депрессий. Материнские породы территории представлены преимущественно четвертичными аллювиальными, озерно-аллювиальными и делювиальными суглинками. Для лесостепной зоны характерно чередование колковых мелколиственных лесов из березы, осины, с островными борами и луговой степью.
3 Объекты и методика исследований
3.1 Объекты исследований
Исследования проведены на территории лесостепной зоны Челябинской области в 2005-2007 гг. Объектами исследований выбраны: типичный для лесостепной зоны чернозем средневыщелоченный маломощный, на котором расположены различные сельскохозяйственные угодья: пашня, залежь первого года, залежь трех лет, шести и двенадцати лет, многолетние травы трех лет, многолетние травы пятнадцати лет, целина; растительность пахотного, залежного и целинного чернозема выщелоченного.
3.2 Методика исследований
В летнее время 2005-2006 гг. сравнительно-географическим методом были определены стационарные площадки на территории СХП «Шумовское», «Красноармейское», на которых было заложено 13 почвенно-геоморфологических профилей для наблюдений и исследований: на пашне – 3 разреза (№ 4, 8, 9); на залежи 1 года – 1 разрез (№ 5); на залежи 3 лет – 1 разрез (№ 1); на залежи 6 лет – 1 разрез (№ 6); на залежи 12 лет – 1 разрез (№ 2); на многолетних травах 3 лет – 1 разрез (№ 10); на многолетних травах 15 лет – 1 разрез (№ 12); на целине – 4 разреза (№ 3, 7, 11, 13).
В полевых условиях было проведено описание морфологических признаков заложенных профилей почв. Одновременно были отобраны почвенные образцы с трех сторон разреза по глубинам соответствующим средней части генетических горизонтов, дополнительно делали по три прикопки для исследования агрохимических свойств. Физические показатели определяли в каждом разрезе в 3-кратной повторности, физико-химические и агрохимические в 6-кратной повторности. Лабораторные исследования почвенных образцов выполнены по общепринятым методам: гранулометрический состав почв органолептически; агрегатный состав по методу Н.И. Саввинова; водопрочные структурные агрегаты по методу Н.Н. Никольского (в спокойной воде); плотность почвы из рассыпного образца; плотность твердой фазы почвы пикнометрическим методом, гумус по методу Тюрина в модификации ЦИНАО (ГОСТ 26213-91); общий азот по Кьельдалю (ГОСТ 26107-84); нитратный азот ионометрическим методом (ГОСТ 26951-86); подвижные формы фосфора и калия по методу Чирикова в модификации ЦИНАО (ГОСТ 26204-91); колориметрическое определение поглощенного почвой аммиачного азота в почвенной вытяжке посредством реактива Несслера; щелочно-гидролизуемый азот по методу Корнфилда; реакция почвенного раствора потенциометрическим методом (ОСТ 46 49-76); гидролитическая кислотность по методу Каппена в модификации ЦИНАО (ГОСТ 26212-84); сумма поглощенных оснований по методу Каппена-Гильковица.
В стенках разрезов измерен окислительно-восстановительный потенциал верхнего горизонта при помощи платинового и хлорсеребряного электродов.
С учетом химических, физических свойств почв, а также с учетом места расположения, характера использования рассчитан почвенно-экологический индекс ПЭи. По формуле С.А. Алиева рассчитан энергетический потенциал почвы.
В растительных образцах определяли следующие показатели: азот – посредством реактива Несслера (ГОСТ 50466-93), фосфор – фотометрическим методом (ГОСТ 26657-97), калий – пламенно-фотометрическим методом (ГОСТ 30504-97).
В 2006-2007 гг. было проведено изучение биологической продуктивности и видового состава растительности. Для учета корневой массы и объема был использован метод почвенных монолитов. В полевых условиях было проведено определение скорости эмиссии углекислого газа из почвы методом Штатного и микробиологическая активность по интенсивности распада льняного полотна в 2005-2007 гг. в трехкратной повторности.
4 Свойства пахотного, залежного и целинного чернозема выщелоченного
4.1 Морфологические и физические свойства
Изучение морфологических признаков заложенных разрезов показало их изменения (рис. 1): на целине верхний слой А0 – дернина, на пашне дернина отсутствует; в гумусово-аккумулятивном горизонте А происходит изменение окраски с темно-серой на целине до светло-серой на пашне.
Рисунок 1 – Морфология чернозема выщелоченного на разных угодьях
На залежах с увеличением срока зацелинения восстанавливается горизонт А0 – дернина, гумусово-аккумулятивный горизонт по окраске становится более темным и однородным (от светло-серого до серого). Под многолетними травами 15 лет горизонт А0 по мощности больше на 2 см, чем на естественной залежи 12 лет, окраска гумусово-аккумулятивного горизонта темно-серая.
Мощность гумусового горизонта на пашне составляет в среднем 27,6 см, на целине – 35,8 см, на залежи 12 лет гумусовый горизонт по мощности больше, в сравнении с пашней, на 3,4 см (31 см). Под многолетними травами 15 лет мощность гумусового горизонта больше на 5 см, в сравнении с залежью 12 лет (табл. 1).
| Почвенный профиль | Мощность, см | |||||||
| пашня | залежь 1 года | залежь 3 лет | залежь 6 лет | залежь 12 лет | мн. тр. 3 лет | мн. тр. 15 лет | целина | |
| А0 | - | - | - | - | 2,0 | - | 4,0 | 4,8 |
| А, АП | 16,3 | 17,0 | 16,0 | 17,0 | 18,0 | 20,0 | 16,0 | 17,0 |
| АВ | 11,3 | 11,0 | 12,0 | 13,0 | 13,0 | 10,0 | 20,0 | 18,8 |
| В | 27,0 | 27,0 | 27,0 | 29,0 | 32,0 | 28,0 | 32,0 | 34,5 |
| ВС | 34,7 | 35,0 | 36,0 | 36,0 | 36,0 | 35,0 | 35,0 | 35,0 |
| Почвенный профиль | 89,3 | 90,0 | 91,0 | 96,0 | 101,0 | 93,0 | 107,0 | 110,1 |
| А (АП) + АВ | 27,6 | 28,0 | 28,0 | 30,0 | 31,0 | 30,0 | 36,0 | 35,8 |
Таблица 1 – Морфологические свойства чернозема выщелоченного
По мощности гумусового горизонта, согласно классификации, выщелоченный чернозем на всех угодьях является маломощным (25-40 см).
Горизонт затеков В по мощности и форме гумусовых затеков различен. На пашне мощность горизонта В составляет в среднем 27 см и форма гумусовых затеков языковатая. На залежах мощность горизонта В увеличивается и при этом затеки проникают на большую глубину (рис. 1).
Под многолетними травами 15 лет мощность горизонта В составляет 32 см и в большей степени приближена к целинному аналогу, форма гумусовых затеков становится затечной. Мощности горизонта ВС на всех угодьях близки.
При длительном сельскохозяйственном использовании чернозема выщелоченного в пашне мощность почвенного профиля уменьшилась относительно целинного аналога на 22 %, а наиболее близкими параметрами обладают длительная залежь и многолетние травы 15 лет.
Для агрофизической оценки состояния чернозема выщелоченного проводилось определение общего содержания агрегатов и анализ их распределения по фракциям (табл. 2).
Таблица 2 – Структурный состав чернозема выщелоченного, %
| Угодье | Горизонт, глубина, см | Размер агрегатов, мм | Кстр | ||
| > 10 | 10-0,25 | < 0,25 | |||
| Пашня | Ап, 0-16 | 30,1 | 60,6 | 9,3 | 1,5 |
| Залежь 1 года | А, 0-17 | 30,6 | 60,4 | 9,0 | 1,5 |
| Залежь 3 лет | А, 0-16 | 25,8 | 65,8 | 8,4 | 1,9 |
| Залежь 6 лет | А, 0-17 | 24,0 | 68,5 | 7,5 | 2,2 |
| Залежь 12 лет | А, 2-20 | 18,5 | 73,8 | 7,7 | 2,8 |
| Многолетние травы 3 лет | А, 0-20 | 24,7 | 68,2 | 7,1 | 2,1 |
| Многолетние травы 15 лет | А, 4-20 | 16,2 | 77,2 | 6,6 | 3,4 |
| Целина | А, 5-22 | 15,0 | 78,7 | 6,3 | 3,7 |
Содержание мезоагрегатов на пашне в среднем составило 60,6 %, на залежах 3 лет, 6 и 12 лет в среднем на 5,2; 7,9 и 13,2 % больше соответственно. Под многолетними травами 3 лет содержание мезоагрегатов увеличилось на 7,6 %, под многолетними травами 15 лет – на 16,6 %, в сравнении с пашней.
Процесс ухудшения структуры четко прослеживается и по величине коэффициента структурности. Если в целинных аналогах он составляет 3,7, то сельскохозяйственное использование ведет к резкому снижению до 1,5. С увеличением возраста залежи и под многолетними травами наблюдается увеличение коэффициента структурности.
На различных угодьях чернозем выщелоченный отличается по плотности сложения (табл. 3).
Таблица 3 – Плотность чернозема выщелоченного, г/см3
| Угодье | Горизонт | |
| А | АВ | |
| Пашня | 1,21 | 1,32 |
| Залежь 1 года | 1,23 | 1,32 |
| Залежь 3 лет | 1,22 | 1,32 |
| Залежь 6 лет | 1,20 | 1,31 |
| Залежь 12 лет | 1,19 | 1,30 |
| Многолетние травы 3 лет | 1,20 | 1,31 |
| Многолетние травы 15 лет | 1,14 | 1,25 |
| Целина | 1,16 | 1,25 |
На пашне плотность сложения верхнего горизонта в среднем составила 1,21 г/см3. По градации, предложенной Н.А. Качинским, пашня является уплотненной. На залежах в первые годы наблюдается ещё некоторое уплотнение почвы, затем под воздействием естественной растительности наблюдается тенденция разуплотнения верхнего горизонта.
При сельскохозяйственном использовании чернозема выщелоченного происходит уплотнение подпахотного слоя. Зацелинение залежи под естественной растительностью приводит к незначительному разуплотнению подпахотного слоя. Многолетние травы (козлятник восточный) оказывают наибольшее влияние на разуплотнение подпахотного слоя, так как имеет хорошо развитую, глубоко проникающую корневую систему.
4.2 Характеристика физико-химических свойств
Длительное использование черноземов в пашне приводит к повышению их кислотности. Актуальная кислотность верхних горизонтов на пашне и всех залежах составляет от 6,25 до 6,40, такая реакция является слабокислой. На целине и многолетних травах 15 лет реакция почвенного раствора нейтральная. Незначительное изменение кислотности при сельскохозяйственном использовании чернозема выщелоченного мы объясняем высокой устойчивостью этих почв к внешним воздействиям.
Результаты исследований показывают, что гидролитическая кислотность в гумусовых горизонтах чернозема выщелоченного на пашне выше на 0,86 мг-экв./100 г аналога на целине. На залежах при увеличении срока зацелинения наблюдается некоторое снижение гидролитической кислотности: от 4,27 мг-экв./100 г на залежи первого года до 3,72 мг-экв./100 г на залежи двенадцати лет. Многолетние травы способствуют снижению гидролитической кислотности: под многолетними травами 15 лет этот показатель равен 3,49 мг-экв./100 г, что на 6 % ниже, чем на залежи двенадцати лет. Снижение гидролитической кислотности сопровождается увеличением степени насыщенности основаниями.
На пашне емкость катионного обмена чернозема равна 31,98 мг-экв./100 г, на целине этот показатель выше на 3,64 мг-экв./100 г. На залежах, как показывают результаты наших исследований, емкость катионного обмена несколько выше, чем на пашне.
В составе емкости катионного обмена преобладают поглощенные основания. Чернозем выщелоченный на всех исследуемых угодьях характеризуется высокой обеспеченностью поглощенными основаниями
Полевое определение окислительно-восстановительного потенциала показало, что исследуемые нами черноземы на всех угодьях характеризуются умеренно окислительным процессом (506-593 мВ).
4.3 Агрохимические свойства
Важнейшей отличительной чертой дернового почвообразовательного процесса является аккумуляция органического вещества в верхних горизонтах почвенного профиля.
Изучение содержания гумуса в черноземе выщелоченном показало (табл. 4), что на пашне содержание гумуса в среднем составляет 5,38 % – малогумусовый, на целине – среднегумусовый. На залежах наблюдается тенденция увеличения содержания гумуса в верхнем горизонте: на залежи 12 лет содержание гумуса увеличилось в среднем на 0,54 %, в сравнении с пашней. Искусственные ценозы многолетних трав также оказывают положительное влияние на содержание гумуса в черноземе выщелоченном.
Таблица 4 – Гумусное состояние чернозема выщелоченного
| Угодье | Горизонт, мощ-ность, см | Гумус, % | С:N | Запас гумуса, т/га | |
| в слое 0-20 см | в слое 0-100 см | ||||
| Пашня | АП, 0-16 | 5,38 ± 0,14 | 14,4 | 128,0 | 274,4 |
| Залежь 1 года | А, 0-17 | 5,36 ± 0,11 | 14,5 | 129,9 | 280,4 |
| Залежь 3 лет | А, 0-16 | 5,50 ± 0,12 | 14,3 | 131,9 | 284,0 |
| Залежь 6 лет | А, 0-17 | 5,54 ± 0,18 | 13,7 | 133,9 | 305,5 |
| Залежь 12 лет | А, 2-20 | 5,92 ± 0,08 | 13,3 | 138,7 | 325,7 |
| Многолетние травы 3 лет | А, 0-15 | 5,52 ± 0,11 | 14,0 | 136,2 | 311,1 |
| Многолетние травы 15 лет | А, 4-20 | 8,29 ± 0,20 | 13,2 | 176,4 | 403,0 |
| Целина | А, 5-22 | 7,25 ± 0,10 | 13,1 | 160,2 | 392,5 |
Гумусное состояние почв принято характеризовать не только содержанием гумуса, но и отношением С:N, запасами гумуса в слое 0-20 см, 0-100 см.
Отношение С:N в верхних горизонтах на пашне, залежах 1 года и 3 лет обогащенность гумуса азотом очень низкая, на остальных угодьях, находится в пределах 13-14, что свидетельствует о низкой обогащенности гумуса азотом.
Исследуемые черноземы выщелоченные на пашне и естественных залежах в слое 0-20 см, по градации Д.С. Орлова, Л.А. Гришиной, имеют средний запас гумуса, под многолетними травами 15 лет и на целине – высокий. В слое 0-100 см под многолетними травами 15 лет запас гумуса высокий, на остальных исследуемых угодьях – средний.
Содержание гумуса является показателем потенциального плодородия. Эффективное плодородие определяется в почве содержанием подвижных соединений элементов питания.
Важнейший элемент для питания растений – подвижный азот. Наиболее легко и быстро растения усваивают нитраты, поэтому содержание их в почве – основной показатель обеспеченности её доступным для растений азотом (табл. 5).
Таблица 5 – Обеспеченность доступным азотом чернозема выщелоченного, мг/кг
| Угодье | Горизонт, мощность, см | N-NO3 | N-NH4 | Nщг |
| Пашня | АП, 0-16 | 5,80 ± 1,90 | 27,8 ± 0,9 | 122,3 ± 2,3 |
| Залежь 1 года | А, 0-17 | 3,40 ± 0,58 | 26,7 ± 1,7 | 122,0 ± 0,7 |
| Залежь 3 лет | А, 0-16 | 3,30 ± 0,40 | 32,7 ± 1,5 | 129,7 ± 3,5 |
| Залежь 6 лет | А, 0-17 | 2,53 ± 0,03 | 36,1 ± 4,0 | 136,9 ± 0,7 |
| Залежь 12 лет | А, 2-20 | следы | 38,5 ± 1,0 | 151,7 ± 3,8 |
| Многолетние травы 3 лет | А, 0-15 | 4,00 ± 0,40 | 35,6 ± 3,4 | 135,7 ± 1,5 |
| Многолетние травы 15 лет | А, 4-20 | следы | 62,0 ± 5,9 | 183,8 ± 3,0 |
| Целина | А, 5-22 | следы | 44,1 ± 1,4 | 163,4 ± 1,9 |
Исследования показали, что содержание нитратного азота на пашне наибольшее и составляет в среднем 5,8 мг/кг почвы. На залежах количество нитратного азота снижается от 3,40 до 2,53 мг/кг, на залежи 12 лет обнаруживаются следы нитратного азота, как и на целине. Под многолетними травами также наблюдается снижение содержания нитратного азота: под многолетними травами 3 лет – 4,0 мг/кг, под многолетними травами 15 лет обнаруживаются его следы.
В зависимости от почвенных условий растения легко могут усваивать и соли аммония. Содержание аммонийного азота на пашне наименьшее. С увеличением возраста залежи наблюдается увеличение содержания аммонийного азота от 26,7 до 38,5 мг/кг. На целине его содержание составляет в среднем 44,1 мг/кг почвы. Под многолетними травами 3 лет содержание аммонийного азота немного превышает его содержание на залежи 3 лет, под многолетними травами 15 лет содержание аммонийного азота достигает 62,0 мг/кг почвы.
Преобладание аммонийной формы азота на залежах и под многолетними травами, на наш взгляд, связано с тем, что температурный и водный режимы более благоприятны для процесса аммонификации, а также происходит постоянное поступление свежего органического вещества.
Содержание минеральных форм азота характеризует обеспеченность почвы этим элементом лишь на момент определения. Потенциальные запасы доступного для растений азота почвы определяются содержанием щелочно-гидролизуемого азота.
На пашне содержание щелочно-гидролизуемого азота составляет 122,3 мг/кг, на залежах и под многолетними травами, по мере накопления органического вещества, содержание щелочно-гидролизуемого азота увеличивается.
Исследования обеспеченности подвижными формами фосфора показали, что в горизонте Ап обеспеченность средняя (табл. 6).
Таблица 6 – Содержание подвижного фосфора и подвижного калия, мг/кг
| Угодье | Горизонт мощность, см | Подвижный фосфор | Подвижный калий | ||
| Х ± SX | V, % | Х ± SX | V, % | ||
| Пашня | АП, 0-16 | 85,2 ± 3,5 | 14,7 | 190,8 ± 11,1 | 17,5 |
| Залежь 1 года | А, 0-17 | 80,0 ± 2,4 | 7,4 | 172,7 ± 3,6 | 4,2 |
| Залежь 3 лет | А, 0-16 | 79,5 ± 2,0 | 4,9 | 156,7 ± 2,9 | 4,5 |
| Залежь 6 лет | А, 0-17 | 65,8 ± 1,7 | 6,4 | 140,7 ± 4,4 | 7,7 |
| Залежь 12 лет | А, 2-20 | 51,0 ± 1,3 | 5,9 | 140,3 ± 5,3 | 6,5 |
| Многолетние травы 3 лет | А, 0-15 | 75,3 ± 2,8 | 9,0 | 114,0 ± 2,0 | 3,1 |
| Многолетние травы 15 лет | А, 4-20 | 19,7 ± 0,9 | 10,7 | 72,7 ± 1,5 | 6,3 |
| Целина | А, 5-22 | 41,3 ± 1,4 | 14,3 | 115,7 ± 2,0 | 7,2 |
На залежах наблюдается снижение обеспеченности подвижным фосфором: на залежи 3 лет на 5,7 мг/кг, в сравнении с пашней, на залежи 6 и 12 лет – на 19,4 и 34,2 мг/кг соответственно. На залежах наблюдается снижение содержания подвижного калия: на залежи 3, 6 и 12 лет высокая обеспеченность. На целине и под многолетними травами 3 лет содержание подвижного калия повышенное, под многолетними травами 15 лет содержание подвижного калия среднее. На пашне при отсутствии постоянного растительного покрова создаются более агрессивные условия, которые способствуют переходу неподвижных соединений калия и фосфора в подвижные, при минерализации органических веществ. На залежах и многолетних травах увеличение доли аммония, мы считаем, тоже приводит к снижению подвижности калия.
4.4 Аккумулятивный процесс почвообразования на пахотном, целинном и залежном черноземе выщелоченном
4.4.1 Баланс наземной, корневой массы и биогенных элементов
В процессе естественного зарастания залежные фитоценозы проходят ряд стадий, постепенно сменяющих друг друга: бурьянистая – пырейная – рыхлокустовая – плотнокустовая. Под воздействием различных факторов некоторые стадии зарастания могут выпадать. На исследуемых нами угодьях встречаются все перечисленные выше стадии зацелинения.
Наши исследования показали, что на целинном черноземе выщелоченном широко представлены многолетние растения таких семейств как астровые (Astraceae), мятликовые (Poaceae), бобовые (Fabaceae), розоцветные (Rosaceae), подорожниковые (Polygonaceae) и другие (рис. 2).
Пашня Залежь 1 года Залежь 3 лет
Залежь 6 лет Залежь 12 лет Мн. тр. 3 лет
Мн. тр. 15 лет Целина
Рисунок 2 – Вклад семейств в состав травостоя (2006-2007 гг.), %
На пахотном черноземе выщелоченном в посевах зерновых культур преобладают синантропные виды из разных семейств: щирица запрокинутая (Amaranthus retroflexus), щетинник зеленый (Setaria viridis), марь белая (Chenopodium album), осот полевой (Sonchus arvensis).
На залежи 1 года встречаются малолетние сорные растения. Преобладают в травостое растения семейства астровые: ромашка ароматная (Chamomilla suaveolens), одуванчик лекарственный (Taraxacum officinale), осот полевой (Sonchus arvensis). В незначительном количестве встречаются представители семейства мятликовые. На залежи первого года наблюдается мелкобурьянистая стадия зацелинения.
На залежи 3 лет из травостоя выпадают малолетние сорные растения. Появляется значительное количество пырея ползучего (Elytrigia repens), также наблюдается большое разнообразие представителей семейства астровые. Залежь третьего года находится в пырейной стадии.
На залежи 6 лет почти полностью выпадает из травостоя пырей ползучий (Elytrigia repens), появляются представители семейства бобовые: клевер луговой (Trifolium pretense), мышиный горошек (Vicia eracca). Семейство мятликовых представлено несколькими видами. На залежи шести лет развивается рыхло-кустовая стадия.
На залежи 12 лет доминируют представители семейства мятликовые: рыхлокустовые – овсяница луговая (Festuca pratensis), костер безостый (Bromopsis inermis); плотнокустовые – овсяница овечья (Festuca ovina). Разнотравье представлено большим количеством видов, значительна поросль берёзы (Betula pendula). Наблюдается переход рыхло-кустовой в плотно-кустовую стадию.
В посевах многолетних трав (Galega orientalis Lam) 3 лет встречаются представители семейств астровые (Astraceae), мятликовые (Poaceae), бобовые (Fabaceae) и другие. Под многолетними травами 15 лет также наблюдается большое разнообразие видов. Отсутствие поросли березы объясняется использованием залежи в качестве сенокоса.
Таким образом, длительные залежи по видовому составу растительности наиболее близки к целинному аналогу.
С изменением видового состава растительности происходит изменение общей продуктивности фитоценоза (табл. 7). Учет накопления фитомассы показал, что на пашне под зерновым агроценозом общее количество фитомассы в 1,5 раза меньше, чем на целине. Это в большей степени связано с увеличением массы корней: на целине вклад корней в общую фитомассу составляет 56,7 %, а на пахотном черноземе – 7,8 %.
Таблица 7 – Накопление и ежегодное поступление фитомассы в почву с учетом производственного отчуждения (2006-2007 гг.), т/га
| Угодье | Накопление | Поступление | |||||
| в корнях в слое 0-20 см, т/га | в наземной массе, т/га | в общей массе, т/га | в корнях, % к общей массе | наземной массы, т/га | в корнях, т/га | общей массы, т/га | |
| Пашня | 0,67 | 7,97 | 8,64 | 7,8 | 2,40 | 0,20 | 2,60 |
| Залежь 1 года | 0,37 | 2,90 | 3,27 | 11,3 | 2,90 | 0,11 | 3,01 |
| Залежь 3 лет | 0,93 | 5,84 | 6,77 | 13,7 | 5,84 | 0,30 | 6,14 |
| Залежь 6 лет | 2,42 | 6,52 | 8,94 | 27,1 | 5,63 | 0,70 | 6,33 |
| Залежь 12 лет | 4,80 | 6,22 | 11,02 | 43,6 | 5,12 | 1,40 | 6,52 |
| Многолетние травы 3 лет | 4,12 | 7,78 | 11,90 | 34,6 | 5,40 | 1,24 | 6,64 |
| Многолетние травы 15 лет | 5,64 | 7,43 | 13,07 | 43,2 | 6,12 | 1,70 | 7,82 |
| Целина | 7,43 | 5,67 | 13,10 | 56,7 | 4,36 | 2,20 | 6,56 |
При естественном зарастании наблюдается увеличение корневой массы уже с первых лет зацелинения.
Существенное отличие имеет ежегодная биодинамика на пахотных черноземах по сравнению с залежными и целинными.
В агрофитоценозах в результате производственного отчуждения большей части фитомассы количество поступающего в почву ежегодного опада, по сравнению с целинными фитоценозами, резко сокращается. На многолетних травах количество ежегодного опада возрастает как в сравнении с пашней, так и в сравнении с залежами. На залежах и многолетних травах биодинамика приобретает признаки свойственные дерновому процессу почвообразования.
На различных угодьях меняются не только количественные критерии биодинамики, но и изменяется её качественная сторона, что подтверждается балансом биогенных элементов (табл. 8).
Таблица 8 – Баланс биогенных элементов в фитомассе (2006-2007 гг.)
| Элементы | Угодья | |||||||
| пашня (зерновые) | залежь 1 года | залежь 3 лет | залежь 6 лет | залежь 12 лет | многолетние травы 3 лет | многолетние травы 15 лет | целина | |
| Содержание в фитомассе, % | ||||||||
| N |  |  |  |  |  |  |  |  |
| P2О5 |  |  |  |  |  |  |  |  |
| K2О |  |  |  |  |  |  |  |  |
| Синтезировано в фитомассу, кг/га | ||||||||
| N | 111,0 | 21,1 | 47,0 | 86,1 | 169,5 | 303,6 | 282,7 | 245,4 |
| P2О5 | 11,7 | 2,1 | 4,9 | 8,1 | 11,7 | 21,6 | 15,5 | 20,5 |
| K2О | 37,8 | 5,1 | 10,9 | 19,1 | 27,3 | 25,9 | 29,9 | 37,2 |
| Возврат в почву, кг/га | ||||||||
| N | 33,4 | 19,5 | 42,9 | 57,1 | 86,4 | 164,2 | 169,8 | 108,6 |
| P2О5 | 3,5 | 1,8 | 4,4 | 5,3 | 6,1 | 11,1 | 7,8 | 9,8 |
| K2О | 11,4 | 4,6 | 9,8 | 13,1 | 14,5 | 13,9 | 18,7 | 17,7 |
Числитель – содержание в наземной фитомассе, знаменатель – в корнях.
Причиной различия в химическом составе естественной растительности и сельскохозяйственных культур является концентрация последними биогенных элементов в товарной части урожая. Поэтому из синтезированных яровой пшеницей биогенных элементов в почву поступает около 30 %.
Многолетние травы имеют такой баланс биогенных элементов, который свидетельствует об их активном воздействии на аккумулятивный процесс почвообразования: с растительными остатками в почву возвращается 60 % азота, 50 % фосфора и 62 % калия.
На залежах разных возрастов, как и на целине, отчуждается синтезированных биогенных элементов меньше, чем возвращается в почву, поэтому на залежах увеличивается активное воздействие растительных группировок на аккумулятивный процесс почвообразования.
4.4.2 Оценка биологической активности чернозема выщелоченного
по выделению углекислого газа и целюлозолитической способности
Интегральным показателем биологической активности почв многие исследователи считают продуцирование почвой углекислого газа.
Результаты проведенного опыта показали, что на целинном аналоге скорость эмиссии углекислого газа составила в среднем 602,6 мг/м2 за час (рис. 3). Дыхание почвы пашни во все годы наблюдений было существенно ниже и в среднем за три года исследований скорость выделения углекислого газа составила 364,6 мг/м2 за час.
На залежных аналогах наблюдается увеличение скорости эмиссии углекислого газа с увеличением их возраста: на залежи 3 лет этот показатель больше в 1,15 раза, по сравнению с аналогом под пашней, на залежи 6 и 12 лет в 1,27 и 1,41 раза больше, соответственно.
Скорость выделения углекислого газа почвой под многолетними травами 3 лет составляет в среднем 518,4 мг/м2 за час, что выше скорости выделения углекислого газа на залежи 12 лет на 4,5 мг/м2 за час. На наш взгляд это связано с тем, что под многолетними травами количество поступающей фитомассы увеличивается. Скорость выделения углекислого газа почвой под многолетними травами 15 лет приближается к целинному аналогу и составляет 592,9 мг/м2 за час.
Микробиологическая активность чернозема выщелоченного была изучена по интенсивности распада льняной ткани. В течение 2005-2007 гг. проведения опыта были получены результаты, которые позволяют выявить определенные тенденции: целлюлозоразлагающая активность чернозема выщелоченного, на котором расположены целина и залежи, несколько выше, чем на пашне (табл. 9). Это связано с тем, что основная масса пожнивных остатков на пашне поступает в осенний период и разлагается к середине лета следующего года. На целине, залежах и многолетних травах в течение всего периода вегетации поступают растительные остатки, что способствует улучшению пищевого режима для микроорганизмов.
Таблица 9 – Целлюлозоразлагающая активность выщелоченных черноземов на различных угодьях (2005-2007гг.)
| Угодье | Глубина, см | % к исходной массе ткани |
| Пашня | 0-20 | 31,6 |
| Залежь 1 года | 0-20 | 32,0 |
| Залежь 3 лет | 0-20 | 33,6 |
| Залежь 6 лет | 0-20 | 35,2 |
| Залежь 12 лет | 0-20 | 38,8 |
| Многолетние травы 3 лет | 0-20 | 39,3 |
| Многолетние травы 15 лет | 0-20 | 40,5 |
| Целина | 0-20 | 47,9 |
5 Показатели экологического состояния и энергетический потенциал по гумусу чернозема выщелоченного
5.1 Показатели экологического состояния чернозема выщелоченного
С учетом химических, физических свойств почв, а также с учетом места расположения, характера использования рассчитан почвенно-экологический индекс ПЭи, характеризующий потенциальное плодородие почв (табл. 10).
| Угодье | Оценочные коэффициенты | Пэи, балл | ||||
| физичес-ких свойств | кислот- ности | гумусо- вого состояния | подвиж- ного фосфора | подвиж- ного калия | ||
| Пашня | 1,32 | 0,950 | 0,925 | 1,010 | 1,110 | 39,2 |
| Залежь 1 года | 1,32 | 0,951 | 0,860 | 1,005 | 1,104 | 36,1 |
| Залежь 3 лет | 1,32 | 0,954 | 0,870 | 1,005 | 1,086 | 41,7 |
| Залежь 6 лет | 1,31 | 0,955 | 0,875 | 0,990 | 1,074 | 41,9 |
| Залежь 12 лет | 1,29 | 0,962 | 0,905 | 0,975 | 1,074 | 44,1 |
| Многолетние травы 3 лет | 1,31 | 0,953 | 0,935 | 1,000 | 1,054 | 44,0 |
| Многолетние травы 15 лет | 1,27 | 0,965 | 1,058 | 0,920 | 1,012 | 47,2 |
| Целина | 1,28 | 0,970 | 0,992 | 0,960 | 1,056 | 47,8 |
Таблица 10 – Оценка чернозема выщелоченного по экологическим показателям
Проведенные нами исследования показывают, что чернозем выщелоченный на пашне деградирует по физическим, физико-химическим свойствам, по показателям потенциального плодородия, что приводит к снижению почвенно-экологического индекса, в сравнении с целиной, на 8,6 балла.
На залежах наблюдается постепенное улучшение показателей потенциального плодородия, физических и физико-химических свойств, как следствие, увеличение значений Пэи.
Особенно улучшают состояние чернозема выщелоченного многолетние травы, под многолетними травами 15 лет значение Пэи на 8 баллов больше, по сравнению с пашней.
5.2 Энергетический потенциал чернозема выщелоченного по гумусу
Почвенный покров, как компонент биосферы, выполняет функцию универсального аккумулятора и экономного распределителя наиболее ценной для поддержания жизни части энергии, связанной в гумусе и необходимой для нормального обмена и круговорота веществ в природе.
Энергетический потенциал почвы по гумусу рассчитывается путем перевода процентного содержания гумуса в т/га, а затем в ГДж/га по формуле 1:
Г, ГДж/га = Г, т/га 21,654 (1)
Исследуемые угодья отличаются по содержанию гумуса в горизонтах А (АП) и АВ. Расчет энергетического потенциала в гумусовом слое чернозема выщелоченного на пашне и целине показал, что при сельскохозяйственном использовании чернозема энергетический потенциал снижается на 1476,8 ГДж/га.
На залежах содержание гумуса постепенно увеличивается, так как количество поступающих в почву растительных остатков возрастает. С увеличением содержания гумуса энергопотенциал гумусового слоя на залежи повышается: на залежи 1 года – 3841 ГДж/га, на залежи 3 лет он составил 3871,1 ГДж/га, на залежи 6 лет на 234,1 ГДж/га больше в сравнении с залежью 3 лет, на залежи 12 лет на 236,4 ГДж/га больше, чем на залежи 6 лет.
Посевы многолетних бобовых трав, после которых остается большое количество органических остатков, благоприятно отражаются и на энергетическом потенциале чернозема выщелоченного.
Выводы
1. Чернозем выщелоченный после длительного сельскохозяйственного использования имеет четкие признаки деградации: повышение плотности и уменьшение мощности биологически активных горизонтов (А (АП)+АВ); снижение ёмкости поглощения и изменение состава поглощенных оснований с одновременным ростом доли водородных катионов и, следовательно, увеличение кислотности; уменьшение запаса гумуса, элементов питания (азота, фосфора, калия), запаса энергии и в целом плодородия.
2. Морфологические и физические признаки чернозема выщелоченного на залежах улучшаются: окраска верхнего горизонта изменяется от светло-серой до темно-серой, увеличивается мощность горизонта гумусовых затеков, которые становятся более интенсивными, наблюдается тенденция разуплотнения почвы. Процесс самовосстановления сопровождается восстановлением структуры, увеличением водопрочных агрегатов, снижением плотности сложения.
3. Физико-химические свойства (кислотность, сумма поглощенных оснований, степень насыщенности основаниями) в ряду пашня залежь 1 года залежь 3 лет залежь 6 лет залежь 12 лет приближаются к показателям целинного аналога (рН от 6,25 до 6,40; сумма поглощенных оснований от 27,7 до 30,5 мг-экв./100 г; степень насыщенности основаниями от 86,6 до 89,1 %).
4. Залежное состояние способствует восстановлению баланса органического вещества и в целом потенциального плодородия чернозема выщелоченного. Сеяные фитоценозы многолетних трав незначительно уступают природным (целинным), поэтому могут быть использованы для воспроизводства потенциального плодородия черноземных почв лесостепной зоны Челябинской области.
5. В процессе естественного зарастания залежные фитоценозы проходят мелкобурьянную, пырейную, рыхлокустовую, плотнокустовую стадии зацелинения. При этом постепенно увеличивается количество видов, снижается доля синантропных представителей и повышается роль видов местной флоры. Растет продуктивность фитоценоза: от 3,27 до 11,02 т/га, при этом увеличивается доля корней в общей фитомассе с 11,3 % до 43,6 %, восстанавливается баланс биогенных элементов.
6. Экологическое состояние чернозема выщелоченного в залежном состоянии повышается, о чем свидетельствуют значения ПЭи: на пашне – 39,2 балла, на залежи двенадцати лет – 44,1 балла, под многолетними травами 15 лет – 47,2 балла. Увеличение поступления растительных остатков способствует повышению энергетического потенциала чернозема выщелоченного: на залежи 12 лет – на 593,3 ГДж/га, под многолетними травами 15 лет – на 2100,7 ГДж/га, в сравнении с пашней.
Предложения производству
1. В условиях лесостепной зоны Челябинской области залежный чернозем выщелоченный рекомендуется вводить в сельскохозяйственный оборот, начиная с 5-7 года зацелинения. В более поздний период с появлением древесной растительности перевод чернозема выщелоченного в разряд пахотных почв затрудняется и приводит к значительным материальным затратам.
2. Для восстановления деградированных параметров плодородия чернозема выщелоченного лесостепной зоны Челябинской области рекомендуется производить высев многолетних трав с длительным периодом использования.
Список работ, опубликованных по теме диссертации
- Нефедова Е.Ю. (Матвеева Е.Ю.) Экспедиционный метод как метод исследования почв / Е.Ю. Нефедова (Е.Ю. Матвеева) // Молодые исследователи – сельскому хозяйству. – Челябинск: ЧГАУ, 2002. – С. 87-91.
- Матвеева Е.Ю. Залежь как элемент современных агроэкосистем / Е.Ю. Матвеева // Проблемы аграрного сектора Южного Урала и пути их решения: Сб. науч. тр. – Челябинск: ЧГАУ, 2006. – Вып. 6. – С. 154-158.
- Матвеева Е.Ю. Влияние процессов восстановления залежных экосистем на агрофитоценоз / Е.Ю. Матвеева // Проблемы аграрного сектора Южного Урала и пути их решения: Сб. науч. тр. – Челябинск: ЧГАУ, 2007. – С. 117-120.
- Матвеева Е.Ю. Трансформация свойств чернозема выщелоченного при переводе в залежное состояние в условиях лесостепной зоны Южного Урала / Е.Ю. Матвеева // Проблемы аграрного сектора Южного Урала и пути их решения: Сб. науч. тр. – Челябинск: ЧГАУ, 2008. – С. 208-213.
- Матвеева Е.Ю. Залежь как прием восстановления стабильности агроэкосистем / Е.Ю. Матвеева // Аграрный вестник Урала. – № 4. – 2009. – С. 61-63.
Подписано в печать 20.04.2009. Тираж 120 экз.
Печать трафаретная. Заказ 063.
Отпечатано в печатном цехе «Ризограф»
Тюменского Аграрного Академического Союза
625003, г. Тюмень, ул. Республики, 7
