Физическое состояние агропочв лесостепной зоны предалтайской провинции и его изменение под влиянием эрозии
На правах рукописи
МЯГКИЙ ПЕТР АЛЕКСАНДРОВИЧ
ФИЗИЧЕСКОЕ СОСТОЯНИЕ АГРОПОЧВ ЛЕСОСТЕПНОЙ ЗОНЫ ПРЕДАЛТАЙСКОЙ ПРОВИНЦИИ И ЕГО ИЗМЕНЕНИЕ
ПОД ВЛИЯНИЕМ ЭРОЗИИ
Специальность 06.01.03 – агропочвоведение, агрофизика
Автореферат диссертации
на соискание ученой степени
кандидата сельскохозяйственных наук
Барнаул 2007
Работа выполнена в ФГОУ ВПО «Алтайский государственный
аграрный университет» на кафедре землеустройства, земельного и
городского кадастра
Научный руководитель: доктор биологических наук, профессор
Татаринцев Леонид Михайлович
Официальные оппоненты: доктор биологических наук,
ведущий научный сотрудник
Дюкарев Анатолий Григорьевич
кандидат сельскохозяйственных наук,
доцент Кудрявцев Андрей Ермолаевич
Ведущая организация: Институт почвоведения и агрохимии
СО РАН
Защита диссертации состоится 29 мая 2007 г. в 11.30 часов
на заседании диссертационного совета Д220.002.01 в
Алтайском государственном аграрном университете по адресу:
656049, г. Барнаул, пр-т Красноармейский, 98
Тел. (факс): 8(385-2)62-83-96
E-mail: [email protected]
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке
ФГОУ ВПО «Алтайский государственный аграрный университет»
Автореферат разослан 26 апреля 2007 г.
Учёный секретарь
диссертационного совета
доктор биологических наук,
профессор
В.А. Рассыпнов
Актуальность. Алтайский край – крупнейший экономический регион страны и Западной Сибири с развитым сельским хозяйством. Однако, повышению эффективности сельскохозяйственного производства кроме экономических факторов препятствуют негативные процессы, снижающие плодородие почв. Среди этих негативных явлений особое место занимает эрозия почв.
В Западной Сибири, особенно в лесостепной зоне, эрозия почв имеет широкое распространение. Изучением эрозионных процессов в лесостепной зоне Алтайского края занялись в 60-х годах XX столетия. В результате исследований были вскрыты закономерности формирования поверхностного стока талых и ливневых вод и смыва почв (Орлов, 1971, 1977, 1983; Каштанов, 1974; Мусохранов, 1976; и др.), разработаны противоэрозионные мероприятия и выявлена их эффективность в разных районах Западной Сибири (Каштанов, 1974, 1975; Каштанов, Мусохранов, 1980; Мальцев, 1980; Мусохранов, 1976; Орлов, 1971, 1977; и др.), проведено районирование Новосибирской области и Алтайского края по проявлению эрозионных процессов и применению противоэрозионных мероприятий (Каштанов, 1974; Орлов, 1971, 1977, 1979). В ряде случаев изучены свойства смытых почв (Журавлёва, 1977; Орлов, 1971, 1975; Орлов, Танасиенко, 1975; Танасиенко, 1977, 1980, 1992). Однако, исследования свойств охватывают почвы Приобского плато и Кузбасса.
Для правобережной – лесостепной части Алтайского края сведения о свойствах эродированных почв практически отсутствуют. Имеется ряд статей (Татаринцев, 1985; Уваров, 1981), в которых приводятся характеристики эродированных почв лесостепной зоны. Однако, существующих сведений о свойствах почв лесостепной части Алтайского края, особенно физических свойствах, недостаточно для организации защиты почв от смыва поверхностными водами. Поэтому исследования по оценке степени изменения физического состояния агропочв лесостепной зоны приобретают особую актуальность, практическую и теоретическую значимость.
Цель исследований. Изучить физическое состояние почв лесостепной зоны Алтайского Приобья и оценить степень изменения свойств этих почв под влиянием эрозии.
Для достижения поставленной цели следовало решить ряд задач:
1. Изучить физическое состояние агрочернозёмов и серых лесных почв лесостепной зоны.
2. Оценить степень изменения параметров физического состояния агропочв под влиянием эрозии почв.
3. Предложить мероприятия по предотвращению деградации агропочв под влиянием эрозии.
Научная новизна работы. Впервые получена пространственная характеристика параметров физического состояния агропочв лесостепной зоны, проведена оценка естественной динамики и антропогенного изменения физического состояния агропочв лесостепной зоны Предалтайской провинции, агрофизических условий плодородия агропочв в отношении основной продовольственной культуры – яровой пшеницы. На основе землеустройства предложен новый комплекс мероприятий по охране почв от эрозии, позволяющий снизить затраты на производство сельскохозяйственной продукции, что весьма актуально в новых экономических условиях.
Практическое значение работы и реализация результатов исследования. В результате исследований выполнена характеристика физического состояния агропочв лесостепной зоны Предалтайской провинции, выявлено заметное ухудшение показателей физического состояния под воздействием хозяйственного использования и ускоренной эрозии, установлены оптимальные агрофизические параметры плодородия агрочернозёмов, определены лимитирующие факторы плодородия. Проведена оценка устойчивости агрегатов к эрозии, разработаны рекомендации по предотвращению деградации физического состояния агропочв на основе проектов внутрихозяйственного землеустройства территорий, на которых располагаются эрозионноопасные земли со смытыми и размытыми почвами.
Защищаемые положения:
1. Особенности физического состояния пахотных почв лесостепной зоны Предалтайской провинции.
2. Динамика физического состояния агропочв происходит под воздействием факторов почвообразования, в том числе распашки и ускоренной эрозии.
3. Способы предотвращения деградации параметров физического состояния агропочв лесостепной зоны.
Апробация материалов исследований. Материалы диссертации доложены в 6 сообщениях на научно-практической конференции «Геоэкологические проблемы почвоведения и оценки земель» (Барнаул, 2003), на IV съезде Докучаевского общества почвоведов (Новосибирск, 2004), на III Всероссийской научной конференции «Современные проблемы почвоведения и оценки земель Сибири» (Томск, 2005), конференциях профессорско-преподавательского состава Алтайского ГАУ (Барнаул, 2003, 2004, 2005, 2006, 2007).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 6 работ, в том числе одна в центральной печати.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав и выводов; написана на 163 страницах компьютерного текста, содержит 29 рисунков и 37 таблиц. В списке использованной литературы 253 наименований, в том числе 16 иностранных источников.
Личный вклад автора: автор участвовал в планировании и проведении полевых и лабораторных исследований, в обработке и интерпретации полученных результатов.
Благодарности. Автор выражает признательность своему научному руководителю Л.М. Татаринцеву за постоянную помощь и поддержку при выполнении работы; В.А. Мерецкому и В.Л. Татаринцеву за ценные советы и замечания при написании работы и обсуждении результатов исследования.
Глава 1. Изученность физического состояния агропочв
Предалтайской провинции
Глава включает обзор научной информации о физическом состоянии агропочв лесостепной зоны Предалтайской провинции (Карпачевский, 1959; Васильченко, 1971; Агрофизическая характеристика…, 1976; Почвенно-фиические условия…, 1977; Уваров, 1981; Орлов, 1983; Татаринцев, 1985, 1992, 1993; В.Л. Татаринцев, 1998, 2004; и др.), некоторые теоретические положения и методические подходы при изучении физического состояния почв (Ashby, 1958; Ляпунов, Титлянова, 1971; Sposito, 1980; Плохинский, 1970; Дмитриев, 1972; Воронин, 1984; Соколов, 1986, 2004; Пузаченко и др., 1969; Козловский, 1991; и др.)
Глава 2. Условия почвообразования.
Типичная лесостепь Верхнего Приобья располагается на правом берегу реки Обь в пределах Бие-Чумышской возвышенности (Архипов и др., 1970; Архипов, 1971; Адаменко, 1974; и др.). Бие-Чумышская возвышенность с холмистым и холмисто-увалистым рельефом в южной и центральной частях и полого-увалистым – в северной, расчленённой в междуречье Чумыша, Бии и Оби. Средние уклоны колеблются от 1°30' на севере до 8° в юго-восточной части. Господствующими являются уклоны 3-6° (Орлов, 1983). Влияние расчленённости рельефа на смыв почв оценивается как «сильное». На Бие-Чумышской возвышенности распространены субаэральные отложения лёссовидного облика (краснодубровская свита), мощность которых на водораздельных пространствах достигает 15-25 м, на надпойменных террасах р. Обь – 1-5 м. Отложения имеют преимущественно среднесуглинистый гранулометрический состав (Адаменко, 1974).
На рассматриваемой территории годовое количество осадков составляет 400-500 мм, из них 60-62% выпадает в течении вегетационного периода. Запасы воды в снежном покрове колеблются от 100 мм (на западе) до 150 мм (в Присалаирской части). Таяние снега – короткое и бурное (7-9 дней: Орлов, 1983). Летние осадки в лесостепной зоне обычно выпадают в виде ливней. Талые и ливневые осадки обусловливают развитие эрозионных процессов.
Лесостепь характеризуется присутствием лесных и степных растительных сообществ. Лесные сообщества сохранились островами на склонах и по днищам логов и балок или в виде колков. На надпойменных террасах встречаются сосновые боры, чаще всего травяные и кустарниковые. Степные растительные сообщества представлены разнотравно-злаковой и луговой степью. Крайне ограниченно встречаются болота (Ревердатто и др., 1963; Крылов, Салатова, 1950).
Глава 3. Характеристика агропочв средней лесостепи
3.1. Общая характеристика почвенного покрова
Общие закономерности пространственного размещения почв на исследуемой территории установлены давно (Герасимов,1940; Горшенин, 1955; Почвы…, 1959; и др.). Согласно почвенно-географического районирования территории Российской Федерации (бывшего СССР) Бие-Чумышская возвышенность включена в Предалтайскую лесостепную провинцию серых лесных почв, оподзоленных, выщелоченных и типичных чернозёмов (Карманов, 1962). В.А. Хмелёв (1989) выделил подзону чернозёмов выщелоченных и оподзоленных, которая окаймляет горные сооружения Салаира и Алтая.
Чернозёмы выщелоченные преобладают на инсолируемых склонах (в местах с сильным расчленением поверхности), оподзоленные – на теневых, а также на плоских водоразделах, где активнее протекает накопление и фильтрация влаги.
3.2. Химические и физико-химические свойства агропочв и их изменение при антропогенном воздействии
Химическая и физико-химическая характеристика почв лесостепной зоны даётся в ряде работ (Гуськов, 1947; Горшенин, 1955; Почвы…, 1959; Бурлакова, 1984; Орлов, 1983; Уваров, 1981; и др.). Анализ этих данных указывает на изменение свойств почв под воздейсвием сельскохозяйственного использования.
По нашим данным (табл. 1) черноземы оподзоленные имеют более высокую кислотность (pHсол), чем чернозёмы выщелоченные. В свою очередь, пахотный горизонт чернозёмов выщелоченных несколько больше гумусирован, чем в чернозёмах оподзоленных. По количеству обменных катионов выделяются чернозёмы оподзоленные. Хотя эти различия недостоверны (d<НСР05). Сравнение с данными наших предшественников указывает на значительное снижение количества гумуса (на 2-3%), уменьшение pHсол на 0,9-1,1 единицу, емкости катионного обмена на 8-10 мг-экв/100 г почвы.
Более существенные изменения свойств агропочв происходят под воздействием эрозии (табл. 1). Так, содержание гумуса в пахотном горизонте чернозёмов оподзоленных слабосмытых по отношению к не смытым уменьшилось на 11,5%, среднесмытых – на 39,4%; в абсолютных процентах соответственно на 0,7 и 1,4%. В эродированных чернозёмах выщелоченных относительная убыль соответственно составляет 14,4 и 30,5%, абсолютная – 0,98 и 1,98%. Очевидно, что в чернозёмах выщелоченных абсолютные величины потерь гумуса выше, Разница обусловлена тем, что чернозёмы оподзоленные размещаются на теневых склонах, а чернозёмы выщелоченные на инсолируемых, на которых активнее проявляются эрозионные процессы.
Таблица 1
Изменение некоторых химических и физико-химических свойств почв лесостепной зоны под воздействием эрозии
Свойства почвы | Гори-зонт | Не смытые | Слабо-смытые | Средне-смытые |
Чернозёмы оподзоленные среднесуглинистые | ||||
Содержание гумуса по Тюрину, % | Ап | 6,10 | 5,40 | 3,70 |
АВ | 3,51 | 3,05 | 2,39 | |
pH солевой вытяжки | Ап | 5,98 | 5,84 | 5,32 |
АВ | 5,74 | 5,96 | 6,00 | |
Сумма обменных оснований, мг-экв/100г | Ап | 32,97 | 31,38 | 23,60 |
АВ | 23,59 | 23,60 | 23,06 | |
Гидролитическая кислотность | Ап | 4,06 | 3,92 | 2,43 |
АВ | 3,32 | 2,43 | 2,04 | |
Чернозёмы выщелоченные среднесуглинистые | ||||
Содержание гумуса по Тюрину, % | Ап | 6,50 | 5,57 | 4,52 |
АВ | 3,21 | 3,50 | 2,08 | |
pH солевой вытяжки | Ап | 6,09 | 6,32 | 6,76 |
АВ | 6,13 | 6,28 | 6,73 | |
Сумма поглощённых оснований, мг-экв/100г | Ап | 24,29 | 26,49 | 26,88 |
АВ | 19,61 | 22,33 | 22,50 | |
Поглощённый кальций, мг-экв/100г | Ап | 21,85 | 23,52 | 24,38 |
АВ | 17,41 | 19,20 | 21,25 | |
Поглощённый магний, мг-экв/100г | Ап | 3,00 | 2,97 | 2,50 |
АВ | 3,38 | 3,13 | 1,25 |
Реакция почвенного раствора (pHсол) в чернозёмах оподзоленных в слабосмытых на 0,14 единицы, в среднесмытых – на 0,66 единицы ниже, чем в не смытых. Большое снижение в среднесмытых чернозёмах вызвано вовлечением в пахотный горизонт нижней оподзоленной части горизонта А, где более кислая реакция почвенного раствора. В чернозёмах выщелоченных, напротив, в слабосмытых pHсол растёт по сравнению с не смытыми. Аналогичная закономерность наблюдается и в подпахотном горизонте. Это связано с тем, что профиль чернозёмов выщелоченных имеет меньшую кислотность, чем оподзоленных.
Сумма обменных катионов в смытых оподзоленных чернозёмах уменьшается на 1,6 и 9,4 мг-экв и выравнивается с суммой обменных катионов в подпахотном горизонте. В чернозёмах выщелоченных, наоборот, по мере нарастания смытости почвы, растёт сумма обменных катионов. Количество обменного магния по мере усиления степени смытости всё больше уменьшается.
Очевидно, что химические и физико-химические свойства эродированных чернозёмов ухудшаются. Характер изменения этих свойств под воздействием эрозии определяется особенностями строения и почвообразования в чернозёмах оподзоленных и выщелоченных, их местоположением на элементах рельефа.
Глава 4. Современное физическое состояние агропочв
средней лесостепи
4.1. Гранулометрический состав
Гранулометрический состав пахотного горизонта агропочв средней лесостепи, как правило, среднесуглинистый, реже легко- и тяжелосуглинистый (табл. 2). В твёрдой фазе агропочв преобладают крупнопылеватые (0,05-0,01 мм) и иловатые (<0,001 мм) частицы.
Таблица 2
Гранулометрический состав почв средней лесостепи,
% на абсолютно сухую почву (средние данные)
Класс почвы | Гори-зонт | Размер фракций, мм | |||||
1-0,05 | 0,05-0,01 | 0,01-0,005 | 0,005-0,001 | <0,001 | <0,01 | ||
Легко-суглинистые | Ап | 13,4 | 59,0 | 7,3 | 13,9 | 6,4 | 28,6 |
АВ | 20,8 | 51,2 | 0,2 | 21,1 | 6,7 | 27,8 | |
В | 33,0 | 31,6 | 1,1 | 5,1 | 22,7 | 28,9 | |
С | 13,9 | 57,3 | 7,8 | 5,4 | 13,2 | 25,4 | |
Средне-суглинистые | Ап | 16,4 | 45,6 | 13,4 | 16,6 | 8,0 | 38,0 |
АВ | 15,2 | 48,0 | 4,7 | 13,1 | 19,0 | 36,8 | |
В | 7,7 | 54,5 | 3,6 | 5,8 | 22,4 | 37,8 | |
С | 15,4 | 48,6 | 8,0 | 11,4 | 16,6 | 36,0 | |
Тяжело-суглинистые | Ап | 10,8 | 42,9 | 13,1 | 19,1 | 14,1 | 46,3 |
АВ | 11,8 | 38,7 | 12,6 | 17,1 | 19,8 | 49,5 | |
В | 6,8 | 45,8 | 9,6 | 10,6 | 27,2 | 47,2 | |
С | 4,8 | 49,4 | 9,2 | 11,2 | 25,4 | 45,8 |
Количество песчаных частиц уменьшается от легкосуглинистых почв к тяжелосуглинистым. Аналогичная картина наблюдается в отношении крупнопылеватых частиц. На фоне снижения количества крупной пыли отмечается рост количества средней и мелкой пыли, а также ила.
В классе среднесуглинистых почв преобладают две разновидности: иловато-песчано-крупнопылеватые и песчано-иловато-крупнопылеватые. Соотношение гранулометрических фракций в этих почвах представлено на рисунке 1, из которого ясно, что песчано- крупнопылеватые разновидности обладают большим количеством песка, но меньшим количеством крупной пыли и ила, а иловато-крупнопылеватые – наоборот.
Сравнение разновидностей почв по эмпирическим кривым (рис. 2) распределения содержания гранулометрических фракций свидетельствует, что разница кривых распределения господствующих фракций и физической глины в целом существенна при P=0,99 (=1,95).
Рис. 1. Соотношение гранулометрических фракций в песчано-крупнопылеватых (1) и иловато-крупнопылеватых (2) разновидностях черноземов выщелоченных лесостепной зоны.
Рис. 2. Полигоны распределения гранулометрических фракций в среднесуглинистых почвах лесостепи:
а – 1-0,05 мм, б – 0,05-0,01 мм, в – 0,01-0,001 мм, г – <0,001 мм, д – <0,01 мм
(1 – песчано-крупнопылеватые, 2 – иловато-крупнопылеватые).
4.2. Агрегатный состав
Чтобы оценить уровень микроагрегированности почв средней лесостепи, мы рассчитали абсолютное количество истинных водопрочных микроагрегатов (Baver, 1956; Димо, 1958; Low, 1966; Ларионов, 1966; и др.), полученных как разность количества одноименных фракций 0,25-0,01 мм при микроагрегатном и гранулометрическом анализе. Абсолютное содержание истинных микроагрегатов размером 0,25-0,01 мм постепенно возрастает с 15-20% в чернозёмах оподзоленных легкосуглинистых до 25-28% в чернозёмах среднесуглинистых и вновь уменьшается до 14-20% в чернозёмах тяжелосуглинистых. Сравнение наших данных с литературными материалами (Татаринцев, 1993, 2005) показывает, что почвы лесостепи отличаются от почв сухой степи, засушливой степи, южной лесостепи (колочной степи) более высокой способностью к образованию водопрочных агрегатов. Это обусловлено большим количеством ила и гумуса, а также качеством органо-минеральной плазмы. В пахотных горизонтах по сравнению с нижележащими горизонтами количество истинных микроагрегатов уменьшается на 3-5%.
В пахотном горизонте почв лесостепной зоны преобладают глыбистые структурные элементы размером крупнее 10 мм. Наибольший выход глыб и крупных комков отмечается в легкосуглинистых чернозёмах оподзоленных (67% массы почвы), наименьший (19-20%) – в чернозёмах выщелоченных среднесуглинистых.
Соотношение фракций водопрочных агрегатов зависит от гранулометрического состава (рис. 3). Наибольшей водопрочностью агрегатов
Рис. 3. Соотношение фракций водопрочных агрегатов
в почвах лесостепной зоны:
а) чернозёмы оподзоленные легкосуглинистые; б) чернозёмы выщелоченные среднесуглинистые; в) чернозёмы оподзоленные среднесуглинистые; г) чернозёмы выщелоченные тяжелосуглинистые; д) чернозёмы оподзоленные тяжелосуглинистые (1 – слой 0-20 см, 2 – слой 20-40 см).
отличаются тяжелосуглинистые почвы, ниже среднесуглинистые и самой низкой легкосуглинистые. Чернозёмы оподзоленные при одноимённом гранулометрическом составе с чернозёмами выщелоченными характеризуются большим количеством водопрочных агрономически ценных агрегатов. При этом меньшая водопрочность агрегатов наблюдается в пахотном горизонте. Легкосуглинистые чернозёмы отнесены к слабоводопрочным зернисто-пылеватым и неводопрочным пылеватым. Агрегаты чернозёмов средней лесостепи обладают в 4-5 раз меньшей «буферностью» по отношению к атмосферным осадкам, чем агрегаты чернозёмов предгорий Алтая. В связи с этим почвы лесостепи легко поддаются
эрозии.
4.3. Физические и водно-физические свойства агропочв
Результаты изучения физических и водно-физических свойств зональных агрочернозёмов приведены в таблице 3. Данные показывают, что плотность и плотность твёрдой фазы почвы закономерно увеличивается с глубиной. При этом плотность среднесуглинистых почв более высокая, чем тяжелосуглинистых. Плотность твёрдой фазы почвы с глубиной изменяется слабее, чем плотность почвы. Варьирование этих величин укладывается в градацию «незначительное» (Савич, 1972). Факторами, оказывающими влияние на плотность почвы, являются микроагрегатный состав, содержание гумуса, содержание физической глины и другие.
Таблица 3
Физические и водно-физические свойства почв средней лесостепи
Гори-зонт | Плотность, г/см3 | Пористость, % объёма | МГ, % массы | НВ, % массы | Кв | Кф | ||
почвы | твёрдой фазы | общая | аэрации | мм/мин | ||||
Чернозёмы оподзоленные легкосуглинистые | ||||||||
Ап | 1,07 | 2,55 | 59,1 | 28,7 | 5,1 | 21,8 | Нет данных | |
АВ | 1,25 | 2,68 | 53,0 | 27,2 | 4,2 | 21,0 | ||
В | 1,35 | 2,67 | 48,6 | 25,1 | 4,4 | 18,9 | ||
Ск | 1,44 | 2,65 | 47,0 | 23,4 | 3,3 | 18,1 | ||
Чернозёмы оподзоленные среднесуглинистые | ||||||||
Ап | 1,09 | 2,54 | 58,0 | 27,1 | 8,0 | 3,1 | 1,01 | 0,61 |
АВ | 1,26 | 2,60 | 51,2 | 27,3 | 8,3 | 26,8 | 1,48 | 1,05 |
В | 1,37 | 2,64 | 48,9 | 24,8 | 7,7 | 22,2 | - | - |
Ск | 1,45 | 2,64 | 46,4 | 27,0 | 6,6 | 17,8 | 0,95 | 0,65 |
Чернозёмы выщелоченные среднесуглинистые | ||||||||
Ап | 1,10 | 2,52 | 55,6 | 23,7 | 7,0 | 31,8 | 0,90 | 0,45 |
АВ | 1,26 | 2,59 | 56,2 | 23,1 | 6,9 | 27,0 | 1,58 | 1,10 |
В | 1,36 | 2,65 | 48,8 | 25,2 | 6,3 | 21,1 | - | - |
Ск | 1,46 | 2,64 | 46,7 | 26,3 | 5,5 | 17,1 | 1,36 | 0,90 |
Чернозёмы оподзоленные тяжелосуглинистые | ||||||||
Ап | 1,02 | 2,51 | 54,8 | 18,9 | 10,1 | 37,7 | 2,00 | 1,62 |
АВ | 1,26 | 2,61 | 53,9 | 21,2 | 10,5 | 31,9 | 2,21 | 1,35 |
В | 1,31 | 2,67 | 49,0 | 22,6 | 9,3 | 23,0 | - | - |
Ск | 1,39 | 2,66 | 48,6 | 19,7 | 7,5 | 20,7 | 1,50 | 0,80 |
Чернозёмы выщелоченные тяжелосуглинистые | ||||||||
Ап | 1,06 | 2,50 | 55,7 | 23,1 | 9,6 | 35,9 | 1,17 | 0,90 |
АВ | 1,24 | 2,62 | 52,7 | 22,1 | 9,8 | 30,1 | 1,40 | 1,22 |
В | 1,34 | 2,65 | 48,0 | 21,0 | 8,7 | 24,1 | - | - |
Ск | 1,41 | 2,65 | 47,1 | 21,5 | 7,3 | 21,0 | 1,35 | 1,35 |
Максимальное значение общей пористости и пористости аэрации наблюдаются в пахотных горизонтах чернозёмов легкосуглинистых.
С глубиной, а в гумусовой части по мере увеличения количества физической глины, отмечается уменьшение общего объёма почв и пор, занятых воздухом. Общая пористость в пространстве обладает незначительным (V=10%) варьированием. Для пористости аэрации характерно среднее варьирование (V=20-40%). Воздухоёмкость лесостепных почв при увлажнении до НВ не выходит за границу критических значений, т.е. более 15% объёма. Количество адсорбированной влаги (МГ) растёт от легкосуглинистых почв к тяжелосуглинистым. В границах класса наибольшее значение МГ характерно для чернозёмов оподзоленных. При этом максимальные величины МГ приурочены к верхним гумусовым горизонтам (Ап и АВ). Аналогичные закономерности наблюдаются для распределения величин НВ, характеризующих водоудерживающую способность почв. Обычно варьирование величин МГ «небольшое» и «среднее», величин НВ «незначительное» и «небольшое» (Савич, 1972).
Используя информационно-логический анализ (Пузаченко и др., 1969), установлено, что на величины МГ влияют содержание гумуса, физической глины и ила. Все факторы перечислены в порядке убывания влияния. Наибольшее влияние на величину НВ оказывает физическая глина, содержание водопрочных агрегатов крупнее 0,25 мм, плотность почвы. Степень влияния факторов уменьшается слева направо. Чернозёмы лесостепи относятся к высоковлагоёмким (280-340 мм для слоя 0-100 см). В группе выделено две подгруппы: одна с высоким диапазоном активной влаги (170-200 мм), другая со средним (140-170 мм). Наилучший с агрономической точки зрения диапазон активной влаги имеют чернозёмы оподзоленные легко- и среднесуглинистого гранулометрического состава.
Самой высокой скоростью впитывания (Кв) по всему профилю (табл. 3) отличаются чернозёмы оподзоленные тяжелосуглинистые. Высокая скорость впитывания обусловлена хорошей агрегированностью и водопрочностью агрегатов. Коэффициент фильтрации (Кф) в верхних двух горизонтах также высокий. Среднесуглинистые чернозёмы впитывают через верхние горизонты (Ап и АВ) в 1,5-2 раза меньше влаги, чем чернозёмы оподзоленные тяжелосуглинистые. В классе тяжелосуглинистых лучше фильтруют влагу чернозёмы оподзоленные, в классе среднесуглинистых, напротив, чернозёмы выщелоченные. Пространственное варьирование коэффициентов впитывания и фильтрации чаще всего «среднее», «большое» и «очень большое» (Савич, 1972), т.е. коэффициент впитывания может колебаться от высокого до низкого и даже очень низкого.
По величине коэффициента впитывания за 1-й час наблюдения проведена группировка лесостепных почв по противоэрозионной устойчивости. По степени противоэрозионной устойчивости выделено 6 групп: сверхвысокая устойчивость (Кв>150 мм/час), высокая (Кв=150-125 мм/час), хорошая (Кв=125-100 мм/час), средняя (Кв=100-75 мм/час), низкая (Кв=75-50 мм/час) и неустойчивые к эрозии (Кв<50 мм/час). Среди чернозёмов оподзоленных среднесуглинистых 67% объектов относятся к неустойчивым, чернозёмов выщелоченных – 52%. В тяжелосуглинистых почвах 54% исследуемых почв также неустойчивы к эрозии. По мере снижения противоэрозионной устойчивости, почвы средней лесостепи располагаются в следующей последовательности: чернозёмы оподзоленные тяжелосуглинистые, чернозёмы выщелоченные среднесуглинистые, чернозёмы оподзоленные среднесуглинистые и чернозёмы выщелоченные тяжелосуглинистые. При этом первые в 2,5 раза устойчивее последних. В большинстве случаев почвы с поверхности не обеспечивают быстрое впитывание ливневых осадков с интенсивностью выше
1 мм/мин.
Глава 5. Естественная и антропогенная динамика
физического состояния агропочв лесостепной зоны
5.1. факторы природной и антропогенной динамики
В разделе дана характеристика природных факторов динамики физических свойств. Все факторы природной динамики подразделяются на две группы: «внешние» по отношению к почве и «внутренние», связанные с саморазвитием почвы (Корсунов, Красеха, 1990; Козловский, 1991, 2003). При обсуждении ограничиваемся анализом влияния «внешних» причин. Решающее значение на природную динамику физических свойств почв оказывает климат. При этом возможно прямое и косвенное влияние. Косвенное влияние прослеживается через воздействие климата на биологический фактор почвообразования. Прямое влияние просматривается в непосредственном воздействии элементов климата на увлажнение – иссушение почвы. Наиболее мощным фактором изменения агрофизических свойств почв является хозяйственное использование.
5.2. Природная динамика физического состояния агропочв
Для оценки влияния «увлажнения-иссушения» на физическое состояние почвы первоначально изучили границы (амплитуду) динамики влажности и температуры почв по многолетним наблюдениям ГМС. Результаты наблюдений обрабатывали, используя информационно-логический анализ (Пузаченко и др., 1969). После изучения динамики влажности определяли взаимосвязи между параметрами физического состояния и влажностью.
Остановимся на анализе некоторых взаимосвязей. При сухом просеивании количество глыб зависит от влажности отбора образцов. Наибольшее количество глыбистых элементов (30-40% массы) образуется в почве, иссушенной до уровня МГ-ВЗ. Отбор проб при влажности в интервале ВРК-НВ уменьшает выход глыб до 10-20%.
Зависимость плотности от влажности носит экспоненциальный характер, т.е. плотность почвы закономерно уменьшается по мере роста влажности. При этом увеличение плотности происходит в интервале увлажнения от ВРК до МГ, при увлажнении почвы выше ВРК плотность её не меняется. Эта закономерность хорошо совпадает с кривыми, отражающими зависимость усадки почвы от влажности (Stirk, 1954). Наибольшее увеличение плотности наблюдается при снижении влажности почвы от уровня ВРК до ВЗ. При изменении влажности от МГ до ВРК плотность среднесуглинистых почв уменьшается на 0,3 г/см3. При одинаковой влажности почвы с большей гумусностью имеют меньшую плотность, чем с меньшей гумусностью. Скорость изменения плотности почвы во всём диапазоне увлажнения изменяется в слабогумусированных на 0,02 г/см3, малогумусных на 0,015 и среднегумусных – на 0,013 г/см3 на один массовый процент влаги. Это связано с тем, что с повышением гумусности почвы, возрастает жёсткость связей между почвенными частицами, а, следовательно, уменьшается скорость уплотнения (разуплотнения).
На фоне изменения плотности сложения почвы в связи с динамикой влажности наблюдается одновременное изменение во времени общей и дифференциальной порозности почвы. Изменение соотношения пор происходит за счёт уменьшения объёма капиллярной и воздухоносной порозности.
Скорость впитывания с 0,8-1,2 мм/мин при 5-10% влаги в почве уменьшается до 0,2-0,4 мм/мин при влажности 20-25%.
5.3. Изменение физического состояния почв под влиянием
антропогенных факторов
Наиболее мощным фактором изменения агрофизического состояния почвы является сельскохозяйственное использование. При распашке воздействие оказывается непосредственно на почвенное тело и его функции. Крайним проявлением прямого воздействие хозяйственной деятельности человека на почвы является ускоренная эрозия, которая возникает на фоне отсутствия почвозащитных мероприятий.
При выяснении влияния хозяйственной деятельности на параметры физического состояния мы использовали данные наших предшественников (Почвы…, 1959; Агрофизическая характеристика…, 1976; Хмелёв, 1976, 1982; Уваров, 1981; и др.), которые сравнивали с нашими исследованиями. Результаты сопоставления приведены в таблице 4. При хозяйственном освоении изменились гранулометрический, микроагрегатный, агрегатный составы, плотность, общая порозность. Различия носят неслучайный характер при уровне вероятности Р=0,95. Очевидно что
40-летняя эксплуатация чернозёмов лесостепи при экстенсивном земледелии привела к деградации параметров физического состояния.
В эродированных чернозёмах лесостепи наблюдается утяжеление гранулометрического состава пахотного слоя. Микроагрегатный состав, судя по количеству истинных микроагрегатов 0,25-0,01 мм, устойчив к размыву водой. Сухое просеивание указывает на увеличение глыбистых элементов, уменьшение количества агрономически ценных агрегатов и коэффициента водопрочности. В чернозёмах выщелоченных эродированных, напротив, растёт количество водопрочных агрегатов размером 5-0,25 мм и повышается коэффициент водопрочности. В чернозёмах оподзоленных эрозия не приводит к каким-либо изменениям водопрочности агрегатов.
Таблица 4
Изменение некоторых параметров физического состояния пахотного (числитель) и подпахотного (знаменатель) горизонтов почв лесостепи
Физические свойства | Чернозёмы оподзоленные | Чернозёмы выщелоченные | ||
Апах | АВ | Апах | АВ | |
Содержание частиц <0,001 мм | -3,8 | +0,8 | -3,7* | -1,8 |
Содержание частиц <0,01 мм | -1,0 | -3,7* | -3,3* | -5,5* |
Количество истинных микроагрегатов 0,25-0,01 мм | -5,8* | – | -4,6* | – |
Количество водопрочных агрегатов >0,25 мм | – | – | -13,2* | -19,7* |
Плотность сложения, г/см3 | +0,12* | – | +0,15* | – |
Общая порозность, % объёма | -13,2* | – | -7,7* | – |
Порозность аэрации, % объёма | -6,3 | – | -6,5 | – |
Влажность завядания, % массы | – | – | +0,5 | – |
Наименьшая влагоёмкость, % массы | – | – | -1,4 | – |
Примечание: * – разница достоверна при уровне вероятности P=0,95
В тёмно-серых лесных эродированных почвах плотность возросла на 6,6%, чернозёмах выщелоченных на 2,7% и чернозёмах оподзоленных на 2%. Все эродированные варианты почв обладают большей плотностью твёрдой фазы почвы, что связано с потерей гумуса и тонких гранулометрических фракций. Во всех эродированных лесостепных почвах уменьшается общая, капиллярная порозность и повышается воздухоёмкость (исключение тёмно-серые лесные почвы). Изменение физического состояния твёрдой фазы пахотного горизонта (деструкция, уплотнение, уменьшение порозности) приводит к росту количества адсорбируемой влаги (МГ, ВЗ), снижению количества активной влаги (ВРК, НВ и ДАВ). Относительное увеличение неподвижной влаги равно 0,7-2,0%, уменьшение НВ – 5-7%. В результате дезагрегации коэффициент фильтрации в эродированных тёмно-серых лесных почвах уменьшается в 2 раза, а в чернозёмах выщелоченных и оподзоленных увеличивается соответственно в 1,3 и 1,6 раза, вследствие увеличения водопрочности агрегатов.
5.4. Агрофизические условия плодородия агропочв лесостепи
В разделе показано, что в конце XX века усиленно велись работы по оценке физических факторов плодородия почв, установлению связей в системе почва-растение. В Западной Сибири подобных исследований не так много (Шевлягин, 1968, 1972; Слесарев, 1985; Бурлакова, 1984; Хмелёв и др., 1988; Татаринцев, 1993; и др.).
Урожайность яровой пшеницы в лесостепной зоне варьирует от 0,8 до 4,5 т/га, при среднем значении равном 2,44 т/га. Учёт урожайности проводили в ряде хозяйств на чернозёмах выщелоченных среднемощных среднесуглинистых. Для определения характера взаимосвязей между физическими свойствами и урожайностью пшеницы применяли информационно-логический анализ (Пузаченко и др.,1969). Информационно-логический анализ позволил установить степень связи между урожайностью и факторами-аргументами, которые расположены в порядке убывания в следующий ряд:
ГТК2>WB>WФ.К.>ГКТ1>dV>O7>TП>A (1)
где ГТК2 – гидротермический коэффициент за вегетационный период; WB – средний запас влаги за вегетационный период в слое 0-100 см, мм; WФ.К. – запас влаги в слое 0-100 см в фазу кущения, мм; ГТК1 – гидротермический коэффициент за май-июнь; dV – равновесная плотность, г/см3; O7 – осадки июля, мм; TП – температура почвы в слое 0-20 см (фаза кущения), °С; А – содержание водопрочных агрегатов более 0,25 мм в слое 0-20 см, %.
На основе сопряжённых исследований установлены оптимальные параметры агрофизических свойств почв и гидротермических условий. Эти данные приведены в таблице 5. Сопоставление оптимальных параметров с фактическими, а также среднемноголетняя урожайность (24,4 ц/га) яровой пшеницы свидетельствуют, что агрофизические
Таблица 5
Оптимальные и фактические диапазоны агрофизических свойств пахотного слоя лесостепных почв
Факторы плодородия | Параметры | |
Фактические | Оптимальные | |
Количество водопрочных агрегатов >0,25 мм, % | 10-40 | 0-80 |
Плотность, г/см3 | 0,95-1,33 | 1,00-1,30 |
Влагообеспеченность слоя 0-100 см почвы (фаза кущения) | (0,7-0,9)НВ | (0,9-1,0)НВ |
Температура (фаза кущения), °С | 13,7-21,5 | 17,5-20,0 |
Общая порозность, % объёма | 49-61 | 50-60 |
Воздухоёмкость, % объёма | 15-33 | 20-30 |
свойства почв не отвечают требованиям оптимума (3,0-3,6 т/га). Неблагоприятное соотношение физических и гидрофизических условий в лесостепи оказывается причиной снижения урожайности пшеницы на 1,2-1,5 т/га. Основные направления оптимизации агрофизических свойств почв лесостепной зоны при возделывании яровой пшеницы: 1) улучшить влагообеспеченность яровой пшеницы; 2) оптимизировать температурный режим пахотного слоя; 3) повысить водопрочность агрегатов.
Глава 6. Мероприятия по охране агропочв лесостепной зоны
При обосновании комплекса мероприятий по охране агропочв лесостепной зоны использованы принципы и подходы, изложенные в «Концепции рационального использования земель сельскохозяйственного назначения Алтайского края в современных условиях», принятой в 1998 году (Концепция…, 1998). В основе Коцепции лежит несколько принципов: 1) принцип оптимизации соотношения сельскохозяйственных угодий; 2) создание устойчивых агроэкосистем; 3) принцип экономических возможностей.
В пределах исследуемой территории площадь сельскохозяйственных угодий по медицинской норме должна составлять 1131,0 тыс. га, в том числе пашни 531,6 тыс. га и кормовых угодий 592,4 тыс. га. Существующая площадь пашни на 57448 га больше требуемой по медицинской норме. В то же время не хватает 322,7 тыс. га кормовых угодий. Исходя из расчётов по медицинской норме, в лесостепной зоне нужно иметь сельскохозяйственных угодий на 268,2 тыс. га больше, чем по отчётным данным Роснедвижимости. Такое увеличение невозможно, так как на территории Бие-Чумышской возвышенности нет земель пригодных для сельскохозяйственного освоения.
По мнению экологов (Реймерс, 1994) оптимальный уровень распашки должен составлять 40% территории, естественных экосистем – 60 %. В Косихинском, Бийском и Зональном районах доля пашни от общей площади района превышает экологически допустимый уровень (40%) соответственно на 4,0, 12,4 и 13,7%. В этих районах следует вывести из пашни около 60 тыс. га.
В соответствии с принципом «Экономических возможностей» (Концепция…, 1998) пахотных угодий должно быть столько, сколько можно использовать при проведении полного комплекса необходимых мероприятий по охране почв и воспроизводству плодородия. В связи с этим, в первую очередь, необходимо отказаться от использования в пашне малопродуктивных, но технологически высокозатратных почв. Площадь таких почв составляет около 141,0 тыс. га. В результате площадь пахотных угодий уменьшится до 445,0 тыс. га, а площадь кормовых угодий вырастет до 417,8 тыс. га. При такой организации придётся чётко разграничить земли различных категорий использования. В этом случае возникает необходимость в создании схем землеустройства административных районов, других муниципальных образований. Особое значение в организации рационального и эффективного использования и охраны земель займёт внутрихозяйственное землеустройство. В проектах землеустройства приоритет отдаётся организации севооборотов, в которых происходит естественное самовосстановление почвенного плодородия и при этом достигается наивысший экономический эффект от использования почв. В основе проектов лежит почвоводоохранный принцип землепользования при сохранении устойчивости агро- и естественных ландшафтов.
Выводы
1. В лесостепной зоне господствует класс среднесуглинистых почв. Тёмно-серые лесные почвы обладают минимальным содержанием песчаных частиц (1-0,05 мм), мелкой и средней пыли (0,05-0,001 мм), максимальным – крупной пыли (0,05-0,01 мм) и илистой фракции. Чернозёмы выщелоченные от других почв зоны отличаются максимальным количеством песка, средней и мелкой пыли и минимальным количеством ила и крупной пыли. Промежуточное положение занимают чернозёмы оподзоленные.
2. Чернозёмы оподзоленные среднесуглинистые лучше оструктурены и имеют более высокую водопрочность, чем чернозёмы выщелоченные среднесуглинистые. На это указывают коэффициенты структурности и водопрочности. Однако, почвы одинаковы по содержанию истинных микроагрегатов размером 0,25-0,01 мм, плотности почвы и плотности твёрдой фазы почвы. Различие чернозёмов оподзоленных и выщелоченных по общей пористости и воздухоёмкости имеются только в гумусовой толще профиля. Воздухообеспеченность горизонтов Ап и АВ чернозёмов оподзоленных выше, чем чернозёмов выщелоченных. При этом самая высокая общая пористость характерна для пахотных горизонтов чернозёмов оподзоленных и подпахотного горизонта АВ чернозёма выщелоченного.
3. Вследствие большего количества песка и меньшего содержания ила чернозёмы выщелоченные отличаются меньшей адсорбционной способностью и лучшей скоростью впитывания и фильтрации, чем чернозёмы оподзоленные. Чернозёмы лесостепи относятся к высоковлагоёмким (280-340 мм в слое 0-100 см). В группе высоковлагоёмких почв выделяется две подгруппы: одна с высоким диапазоном активной влаги (170-200 мм), другая – со средним (140-170 мм) для слоя 0-100 см.
4. Оценка противоэрозионной устойчивости почв по скорости впитывания влаги за 1-й час наблюдений показала, что в группе среднесуглнистых почв 55% объектов обладают неустойчивостью к эрозии и легко подвергаются разрушению. Среди тяжелосуглинистых чернозёмов 54% исследуемых объектов также неустойчивы к эрозии. По мере снижения противоэрозионной устойчивости почвы средней лесостепи располагаются в следующей последовательности: чернозёмы оподзоленные тяжелосуглинистые, чернозёмы выщелоченные среднесуглинистые, чернозёмы оподзоленные среднесуглинистые, чернозёмы выщелоченные тяжелосуглинистые. При этом первые в 2,5 раза устойчивее к эрозии, чем последние.
5. Изучение динамики физических свойств почвы от её влажности свидетельствует, что при снижении влажности в диапазоне от НВ до МГ количество глыб при сухом просеивании в среднесуглинстых почвах растёт с 10 до 40%, плотность почвы увеличивается с 0,9 до 1,4 г/см3, общая порозность – с 51 до 62% объёма, капиллярная пористость – с 23 до 29%. При этом скорость впитывания (1-й час) снижается с 1,2 до
0,18 мм/мин.
6. Длительное (20 лет) использование чернозёмов лесостепи привело к статистически доказанному снижению количества ила, истинных микроагрегатов размером 0,25-0,01 мм, водопрочных агрегатов крупнее 0,25 мм, общей порозности и увеличению плотности почвы. Наблюдаемые изменения других свойств носят случайный характер (НСР05>d). Такие свойства как количество водопрочных агрегатов, плотность почвы сильнее изменились в чернозёмах выщелоченных, а количество истинных микроагрегатов 0,25-0,01 мм, общая порозность – в чернозёмах оподзоленных.
7. В чернозёмах оподзоленных под воздействием эрозии уменьшилось количество пылеватых частиц (крупной, средней и мелкой пыли). В чернозёмах выщелоченных количество песка выросло, зато уменьшилось количество пыли. Микроагрегатный состав устойчив по отношению к эрозии. При сухом просеивании в эродированных чернозёмах растёт количество глыб и снижается количество агрегатов агрономически ценного размера. В тёмно-серых лесных эродированных почвах уменьшается водопрочность агрегатов, в чернозёмах оподзоленных и выщелоченных, наоборот, повышается. Это связано с тем, что на поверхность выходят лучше структурированные подпахотные слои с высокой водоустойчивостью агрегатов. При этом изменяется соотношение водопрочных агрегатов в пользу мелких. В эродированных почвах растёт плотность и плотность твёрдой фазы почвы. В тёмно-серых лесных эродированных почвах уменьшается коэффициент фильтрации, в чернозёмах – растёт.
8. При обосновании комплекса мероприятий по охране пахотных почв лесостепи использованы принципы и подходы, изложенные в «Концепции рационального использования земель сельскохозяйственного назначения Алтайского края в современных условиях», принятой в марте 1998 года. Проведя все расчёты предлагаем уменьшить площадь пашни на 141,0 тыс. га за счёт малопродуктивной эродированной пашни, переведя её в кормовые угодья. При этом будет достигнуто оптимальное соотношение пашни - кормовых угодий - леса и повысится устойчивость экосистем. Организация рационального и эффективного использования почв возможна на основе проектов внутрихозяйственного землеустройства, в которых разрабатываются почвоводоохранные севообороты с применением инновационных технологий землепользования.
Рекомендации производству
Для создания условий по рациональному и эффективному использованию и охране почв необходимо разработать схемы землеустройства административных районов, проекты внутрихозяйственного землеустройства сельскохозяйственных предприятий с целью создания оптимального соотношения сельскохозяйственных угодий и естественных экосистем.
По теме исследований опубликованы следующие основные работы:
- Татаринцев Л.М. Изменение параметров физического состояния почв правобережной лесостепи Алтайского края [Текст] / Л.М. Татаринцев, П.А. Мягкий // Геоэкологические проблемы почвоведения и оценки земель: Материалы научно-практической конференции (25-26 сентября 2003 г.). Барнаул: Изд-во АГАУ, 2003. С.78-83
- Татаринцев Л.М. Физическое состояние почв Лесостепи Правобережья Оби Алтайского края [Текст] / Л.М. Татаринцев, П.А. Мягкий // Почвы – национальное достояние России: Материалы IV съезда Докучаевского общества почвоведов. Новосибирск: Наука-Центр, 2004. Кн. 1. С.454
- Мерецкий В.А. Некоторые аспекты использования земель сельскохозяйственного назначения в Алтайском крае [Текст] / В.А. Мерецкий, П.А. Мягкий // Вестник Томского государственного университета. №15, август, 2005. Приложение: Материалы III Всероссийской научной конференции «Современные проблемы почвоведения и оценки земель Сибири», посвященной 75-летию со дня основания кафедры почвоведения Томского госуниверситета. Томск, 2005. С.265-267.
- Мерецкий В.А. Влияние физико-географических условий и хозяйственного использования на плодородие почвенного покрова Бие-Чумышской возвышенности / В.А. Мерецкий, П.А. Мягкий // Сб. Вузовская наука – сельскому хозяйству. Материалы Международной научно-практической конференции. Книга 1.: Барнаул, 2005 С. 89-92.
- Мерецкий В.А. Методические подходы к экономической оценке агроистощения земель [Текст] / В.А. Мерецкий, П.А. Мягкий // Вестник государственного аграрного университета. 2005. №1 (17). С. 19-25.
- Мерецкий В.А. Оценка степени развития деградационных процессов в почвенном покрове Бие-Чумышской возвышенности [Текст] / В.А. Мерецкий, П.А. Мягкий // Сб. Аграрная наука – сельскому хозяйству. Материалы II Международной научно-практической конференции. Книга 3. Барнаул, 2007 С. 89-92.