Закономерности изменения свойств почв юго-востока центрального черноземья под влиянием антропогенного воздействия
На правах рукописи
ЧЕВЕРДИН ЮРИЙ ИВАНОВИЧ
ЗАКОНОМЕРНОСТИ ИЗМЕНЕНИЯ СВОЙСТВ ПОЧВ ЮГО-ВОСТОКА ЦЕНТРАЛЬНОГО ЧЕРНОЗЕМЬЯ ПОД ВЛИЯНИЕМ АНТРОПОГЕННОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ
Специальность: 03.00.27 – почвоведение
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
доктора биологических наук
ВОРОНЕЖ – 2009
Работа выполнена в Государственном научном учреждении
Научно-исследовательском институте сельского хозяйства Центрально-черноземной полосы им. В.В. Докучаева Россельхозакадемии
Научный консультант: доктор сельскохозяйственных наук
Хитров Николай Борисович
Официальные оппоненты:
доктор биологических наук Королев Валерий Анатольевич
доктор биологических наук Приходько Валентина Евгеньевна
доктор сельскохозяйственных наук Любимова Ирина Николаевна
Ведущая организация – Московский Государственный университет им.М.В. Ломоносова
Защита состоится « 29 » декабря 2009 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 212.038.02 при Воронежском государственном университете по адресу: 394006, г. Воронеж, Университетская пл., 1.
Тел:(4732) 208-577; E-mail: [email protected]
C диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Воронежского государственного университета
Автореферат разослан «__» __________ 2009 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета Брехова Л.И
1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность проблемы. На протяжении всей истории развития человечества сохранение и повышение плодородия почв остается одной из актуальных задач. Главной особенностью современного развития почв является многостороннее и многогранное антропогенное воздействие на почвообразовательный процесс.
Для Центрально-Черноземной зоны характерна высокая распаханность территории. Не вовлеченными в сельскохозяйственное производство остались только участки непригодные для возделывания полевых культур. В результате антропогенного воздействия на почвы широко распространенны деградационные процессы: дегумификация, эрозия, дефляция, переуплотнение, разрушение агрономически ценной структуры почвы, засоление, осолонцевание, переувлажнение и др. Для их предупреждения необходимы знания о закономерностях изменения разных свойств почв в зависимости от характера, интенсивности и длительности воздействия.
Важной проблемой для степных и лесостепных зон и, в частности для Центрального Черноземья, является появление признаков гидроморфизма и локального сезонного переувлажнения в почвах во второй половине XX века. Переувлажнение почв черноземной зоны часто сопровождается содовым засолением и развитием солонцов.
Развитие этих явлений приводит к усложнению структуры посевных площадей, нарушает оптимальные сроки выполнения сельскохозяйственных технологических работ, создает пестроту посевов, невозможность возделывания многих культур с ранним сроком сева и прочие проблемы, что в совокупности приводит к снижению продуктивности культур и эффективности ведения сельскохозяйственного производства.
Цель исследований: изучить закономерности изменения свойств почв юго-востока ЦЧЗ в зависимости от характера, интенсивности и длительности антропогенного воздействия.
При этом решались следующие задачи:
- установить особенности антропогенной трансформации физико-химических характеристик черноземов в течение XX столетия;
- изучить количественные закономерности изменения содержания гумуса в черноземах в процессе их длительного сельскохозяйственного использования;
- изучить изменение агрохимических показателей, влагообеспеченности растений в зависимости от длительности и интенсивности использования почвы;
- определить направленность изменения почвообразовательных процессов при трансформации автоморфных черноземов в черноземно-влажнолуговые почвы с сезонным переувлажнением;
- изучить постмелиоративные изменения свойств почв черноземных солонцовых комплексов через 40-55 лет после проведения комплексных мелиоративных воздействий и развитие процессов засоления и осолонцевания в этот период.
Научная новизна.
Получены количественные показатели изменения во времени содержания гумуса в пахотном горизонте черноземов. Отмечено, что минимальные и максимальные значения пространственного варьирования содержания гумуса уменьшаются и стабилизируются быстрее по сравнению с изменениями средних значений.
Установлены изменения агрохимических свойств почвы в зависимости от характера использования угодий и их ландшафтной принадлежности. Определены изменения запасов влаги, водопроницаемости и других агрофизических свойств чернозема обыкновенного при различной длительности их сельскохозяйственного использования. Показано, что изменение свойств почв под воздействием антропогенной нагрузки происходит с разной скоростью. Относительная стабилизация показателей наступает в интервале от 10 до 80 лет после начала распашки.
Проведены комплексные исследования трансформации почвенного покрова юго-востока ЦЧЗ под воздействием длительной антропогенной нагрузки и при эволюционном развитии исходно автоморфных почв в гидроморфные. Созданы карты распространения сезонно переувлажненных и локально затапливаемых почв Каменной Степи.
Систематизированы многолетние результаты стационарных опытов по мелиорации гидроморфных солонцов в почвенно-климатических условиях юго-востока ЦЧЗ.
На основе данных многолетней динамики содержания обменного натрия и воднорастворимых солей обосновано сохранение физико-химических условий развития солонцового процесса на мелиорированных вариантах. Установлена регенерация (восстановление) морфологического облика солонцов в вариантах с минимальными мелиоративными воздействиями, частичная регенерация солонцовых свойств в вариантах с землеванием и возникновение морфологических и физико-химических солонцовых свойств в материале гумусового горизонта чернозема, использованного для землевания. Вместе с тем, на этом фоне проявляется длительный (более 50 лет) положительный сельскохозяйственный эффект от системы мелиоративных воздействий на почвы гидроморфных черноземных солонцовых комплексов в условиях их использования под сенокос и пастбище.
Достоверность научных положений, результатов исследований, выводов и практических рекомендаций обеспечена корректным применением современных методов исследований, выбором репрезентативных ключевых участков, включая длительные стационарные полевые опыты, большим объемом экспериментального материала, воспроизводимостью анализов, применением методов математической статистики.
Защищаемые положения.
- Агрогенные воздействия в зависимости от характера, интенсивности и длительности вызывают изменения и преобразование свойств черноземных почв, которые происходят с разной скоростью: наиболее интенсивные в первые десятилетия с постепенным замедлением в дальнейшем.
- Изменение климатических условий в сочетании с целенаправленной деятельностью человека по регулированию водного баланса агроландшафтов способствовало началу нового эволюционного этапа развития почвенного покрова Центрально-черноземной зоны. Отмечается повсеместное появление большого количества мелких локальных ареалов сезонно переувлажненных и затапливаемых почв. В связи с этим отмечается изменение свойств почв, появление новых морфогенетических признаков, активизация процессов миграции солей.
- Действующие в настоящее время факторы почвообразования продолжают поддерживать почвенные процессы в черноземах и солонцах, существовавшие до мелиорации и распашки. Они вызывают восстановление (регенерацию) гумусового горизонта в черноземах и морфологической дифференциации в солонцах после прекращения воздействий. Активная постмелиоративная и постагрогенная регенерация признаков солонцового процесса и их развитие в насыпанном материале гумусового горизонта чернозема обусловлены сохранением и(или) появлением физико-химических условий (низкая концентрация солей и наличие обменного натрия) этого процесса.
Практическая значимость. Основные экспериментальные результаты и положения диссертации имеют теоретическую и практическую направленность и могут служить основой для разработки программ по вопросам сохранения и повышения плодородия черноземных почв. Они использованы в практических рекомендациях «Сохранение плодородия и рациональное использование сезонно переувлажненных почв Воронежской области», а также в «Системе ведения агропромышленного производства Воронежской области на 1996-2000 годы» (Воронеж, 1996) и «Системе ведения агропромышленного производства Воронежской области до 2010 года» (Воронеж, 2005).
На основе установленных закономерностей изменения почвообразовательных процессов в черноземах в условиях лесокультурного ландшафта возможно прогнозировать состояние черноземов в ближайшей перспективе, учитывая изменяющиеся антропогенные нагрузки и экологические условия функционирования агроценозов в разных ландшафтных ситуациях.
Организация исследований и вклад автора. Автору принадлежит постановка проблемы, разработка программы и методики исследований, проведение полевых исследований, статистическая обработка экспериментальных данных, систематизация, теоретическое обобщение, интерпретация полученных данных, формулировка выводов и предложений. В работе обобщены результаты многолетних собственных исследований соискателя и, кроме того, автором использованы опубликованные данные по мелиоративным солонцовым стационарам и проведено обобщение имеющегося в отделе материала по вопросам мелиорации солонцов.
Доля личного участия диссертанта в получении и обобщении результатов исследований составляет 80 %.
Исследования проводили в соответствии с заданиями государственных и ведомственных программ НИР по проблемам: 03.03.02 «Выявить особенности различных по гидроморфизму черноземных засолено-солонцовых комплексов и оценить эффективность испытанных способов их мелиорации в длительном последействии» (1996-2001 гг.); 04.04 «Разработать научные основы управления продуктивностью почвенного покрова России, повышения его устойчивости к основным видам деградации почв на основе моделирования и эталонизации» (2001-2005 гг.); 04.01 «Разработать современную теорию процессов почвообразования и переноса веществ в почвенном покрове. Изучить изменение почв под влиянием антропогенных воздействий» (2001-2005 гг.); 02.02.02 «Разработать нормативы изменения структурно-функциональных свойств почв, почвенных процессов в зависимости от характера антропогенного воздействия и глобального изменения климата с целью корректировки агротехнологий»; 02.02 (2006-2010 гг.), «Разработать рекомендации по оценке и использованию почвенных ресурсов с учетом интенсивности антропогенного воздействия на агроценозы, обеспечивающих повышение эффективности агротехнологий, сохранение почв и экологической стабильности агроландшафтов» (2006-2010 гг.).
В течение 2006-2009 гг. проводились совместные исследования с Почвенным институтом им. В.В. Докучаева в рамках задания по оценке современных процессов деградации почв и почвенного покрова Каменной Степи. Программа работ обсуждена и одобрена на заседании бюро Отделения земледелия Россельхозакадемии 25 октября 2005 г. Часть проводимых исследований были поддержаны грантами РФФИ в виде отдельных проектов № 06-04-08323-офи «Пространственная, функциональная и временная организация агроландшафта Каменная Степь» и № 08-04-01195а «Постагрогенная регенерация и эволюция почв черноземной зоны».
Апробация работы. Результаты исследований докладывались на Международных, Всероссийских, региональных и вузовских конференциях (Москва, 1998, 2008); (Белгород, 2003); (Воронеж, 2004, 2006); (Каменная степь, 2004, 2007, 2008, 2009); (Санкт-Петербург, 2006, 2007, 2009); (п. Рассвет, 2006); (Оренбург, 2007, 2008); (Ульяновск, 2008); (Краснодар, 2008;2009); (Курск, 2008), а также на V съезде Всероссийского общества почвоведов им. В.В. Докучаева (Ростов-на-Дону, 2008)
Автором опубликовано 79 научных работ. Основные положения и результаты исследований по теме диссертации опубликованы в 50 печатных работах, в том числе 9 научных статьях центральной печати, 1 коллективная монография, 1 практические рекомендации. Доля личного участия в совместных публикациях пропорциональна числу соавторов.
Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 421 страницах машинописного текста, состоит из введения, 5 глав, основных выводов, предложений производству. Текстовая часть работы иллюстрирована 44 таблицами, 63 рисунком. Список использованной литературы включает 478 наименований, в том числе 15 на иностранных языках. Приложения содержат 6 диаграмм, 2 таблицы.
Благодарности. Пользуясь случаем, хочу выразить благодарность научному консультанту, доктору сельскохозяйственных наук Н.Б. Хитрову, доктору сельскохозяйственных наук, профессору Г.П. Покудину, доктору сельскохозяйственных наук А.К. Свиридову, кандидату сельскохозяйственных наук И.Ф. Поротикову, научному сотруднику С.В. Нацентовой, сотрудникам лаборатории почвоведения, принимавшим участие в исследованиях в разные годы: к.с.-х.н. И.Н. Дорохину, научным сотрудникам Л.В. Гармашовой, Н.А. Шеншиной, А.Н. Рябцеву, лаборантам и техникам, принимавшим участие в проведение полевых работ и лабораторных анализов.
Автор считает своим приятным долгом выразить благодарность сотрудникам Почвенного института им. В.В. Докучаева - д.с.-х.н. Н.П.Чижиковой, д.с.-х.н. И.И. Лебедевой, д.с.-х.н. Б.М. Когут за ценные советы и помощь во время совместных почвенных исследований 2006-2007 гг.
Особую благодарность хотелось выразить к.б.н., доценту кафедры общего почвоведения Московского Государственного Университета Ю.Н. Зборищук за консультационную помощь и доброжелательность в период совместной работы 2002-2009 гг.
2. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Глава 1. Изменение свойств почв под влиянием естественных
и антропогенных факторов (обзор литературы).
В п. 1.1 «Антропогенез черноземных почв» на основе анализа работ Б.П. Ахтырцева, А.Б. Ахтырцева, И.И. Васенёва, Н.Ф. Ганжара, О.С. Безугловой, Л.И. Бреховой, А.Г. Бондарева, В.П. Егорова, Ю.Н. Зборищук, Л.О. Карпачевского, В.А. Королева, Б.М. Когут, М.Т. Купренчикова, И.И. Лебедевой, Н.П. Масютенко, В.Д. Муха, С.М. Надежкина, А.М. Русанова, Д.И. Щеглова, А.П. Щербакова и др. показано, что, несмотря на большой объем экспериментального материала, многие вопросы генезиса черноземных почв остаются дискуссионными. Остаются актуальными проблемы изменения гумусового состояния, водного режима, физико-химических свойств пахотных черноземов в результате хозяйственной деятельности.
В п. 1.2 «Гидроморфные почвы, их особенности и характер распространения» рассмотрены причины увеличения площадей сезонно переувлажненных почв в различных почвенно-климатических регионах, приведены их отличительные особенности от зональных почв (В.И. Азовцев, А.Я. Ачканов, А.Б. Ахтырцев, Б.П. Ахтырцев, Л.А. Воробьева, А.И Давыдов, Т.А. Девятова, В.П. Егоров, Ф.Р. Зайдельман, Л.П. Ильина, К.Ш. Казеев, В.П. Калиниченко, Л.Н. Каретин, Г.С. Луковская, М.Б. Минкин, О.Г. Назаренко, Н.И. Полупан, Е.М. Самойлова, П.М. Сапожников, Н.П. Сорокина, Р.Н. Смирнов, П.А. Сувак, А.И. Трощий, Т.В. Турсина, Н.Б. Хитров, И.Д. Черниченко, Л.Л. Щетинина и др.). Прямое и косвенное влияние повышенного стояния грунтовых вод на условия функционирования степных ландшафтов значительное и разнообразное, и потому вопросы их изучения всегда были и остаются важными и сложными в современном почвоведении.
В п. 1.3 «Солонцовые и засоленные почвы, их эколого-мелиоративная оценка и методы мелиорации» дан подробный анализ различным методам мелиорации солонцовых почв (И.Н. Антипов-Каратаев, Н.И. Базилевич, К.К. Гедройц, В.А. Грачев, Б.А. Зимовец, Р.Д. Зубарева, В.А. Исаев, Г.М. Кадер, В.И. Кирюшин, В.А. Ковда, И.П. Кружилин, Г.С. Кулиныч, Н.А. Лученко, И.Н. Любимова, В.В. Окорков, Н.В. Орловский, К.П. Пак, Н.П. Панов, А.Д. Панкова, И.Ф. Поротиков, Г.Н. Самбур, К.Д. Тюрин, М.С. Цыганов, А.Т. Цюриков, И.Г. Цюрупа, Н.Б. Хитров, И.А. Юрин и др.). Важнейшей нерешенной теоретической задачей является продолжительность положительного действия мелиоративных приемов и их роль в изменении почвообразовательных процессов. Нерешенным остается вопрос о регенерации солонцовых свойств мелиорированных черноземных почв.
В п. 1.4 «История изучения почв солонцового ряда в Каменной Степи» приведены основные этапы проведения мелиоративных работ на солонцовых почвах юго-востока ЦЧЗ (И.А. Юрин, И.Ф. Поротиков, Ю.И. Чевердин).
Глава 2. Объекты и методы исследований.
В главе приведены особенности природно-климатических условий изучаемого района, дана подробная характеристика исследуемых почв. При описании и характеристике почв использованы классификации 1977 г. и 2004 г.
Для изучения изменения свойств черноземных почв в зависимости от длительности антропогенного воздействия использована система ключевых участков, которая учитывала структуру почвенного покрова и историю антропогенного воздействия. Она включала разновозрастные пашни, их степные залежные аналоги и лесные полосы. На широких плоских водоразделах расположены: залежь косимая с 1882 г., залежь некосимая с 1882 г., участки на пашне, введенной в эксплуатацию в 1992 г. (11-14лет использования), 1952 г. (51-54 года), 1922 г. (81-84 года), 1892 г. (111-114 лет); на склонах около 3° – участки на пашне, введенной в эксплуатацию в 1952 г. (51-54 года), 1922 г. (81-84 года), 1892 г. (111-114 лет).
Почвенный покров ключевых участков плоского водораздела представлен трехкомпонентной пятнистостью черноземов типичных (агрочерноземов миграционно-мицелярных квазиглееватых) (50-80%), черноземов перерытых (агрочерноземов зоотурбированных квазиглееватых) (15-50%) и черноземов выщелоченных (агрочерноземов глинисто-иллювиальных квазиглееватых) (8-12%).
Почвенный покров ключевых участков, расположенных на склонах восточной экспозиции с уклонами 2°-3° представлен сочетаниями черноземов обыкновенных (агрочерноземов сегрегационных квазиглееватых) разной степени смытости (70-80%), черноземов перерытых (агрочерноземов зоотурбированных квазиглееватых) разной степени смытости (10-20%) и черноземов выщелоченных (агрочерноземов глинисто-иллювиальных квазиглееватых) также разной степени смытости (8-12%).
При изучении закономерностей изменения свойств почв в зависимости от длительности антропогенной сельскохозяйственной нагрузки ареалы выщелоченных черноземов исключались из выборки, поскольку они имеют небольшие размеры и их свойства заметно отличаются от преобладающих почв ключевых участков, увеличивая варьирование измеряемых показателей.
Мониторинговые исследования за изменением свойств почв, подвергшихся различной длительности грунтового увлажнения, был представлен комплексом черноземных почв землепользования НИИСХ ЦЧП им. В.В. Докучаева.
Исследования мелиоративного эффекта коренного преобразования солонцовых почв проводились на солонцовых стационарах № 1 и 2, заложенных в Каменной Степи в 1952-1953 гг. И.Н.Антиповым-Каратаевым и И.А.Юриным (1960). Для решения поставленных задач были осуществлены дополнительные полевые и лабораторные эксперименты по изучению физико-химических свойств солонцов, подвергшихся мелиорации в разные годы. Выполнена систематизация данных многолетних стационарных наблюдений за полвека, учитывающая пространственную дифференциацию почвенного покрова солонцовых комплексов.
Для определения длительности последействия мелиоративных воздействий и оценки регенерации (восстановления) солонцовых свойств проведено повторное почвенное обследование стационаров, включавшее подробное описание морфологического строения и лабораторные анализы почв мелиоративно преобразованных гидроморфных черноземных солонцовых комплексов.
Исследования, наблюдения и анализы проводили следующими методами: плотность почвы – методом взятия почвенных проб с ненарушенным сложением с помощью режущих колец (Вадюнина, 1986); структурный состав по Савинову (Вадюнина, 1986); определение водопрочности почвенных агрегатов – с использованием прибора И.М. Бакшеева (Вадюнина, 1986); влажность почвы – термостатно-весовым методом (Вадюнина, 1986); подвижные гуминовые кислоты определяли по методу Н.А. Панковой (1960); нитратный азот – дисульфофеноловым методом; подвижный фосфор и обменный калий – по В.Ф. Чирикову из одной вытяжки (ГОСТ 26204-91); гумус – по методу И.В. Тюрина в модификации Симакова (ГОСТ 26213-91); рН в 1,0 н KCl вытяжке и в водной вытяжке – потенциометрически (ГОСТ 26483-85); гидролитическая кислотность по Каппену (ГОСТ 26212-91); вытеснение обменных катионов кальция и магния хлористым натрием (Агрохимические методы исследования почв, 1975) с трилонометрическим окончанием; обменный натрий – методом ЦИНАО (1977) (ГОСТ 26950-86); сумма поглощенных оснований – по Каппену-Гильковицу (ГОСТ 27821-88); степень насыщенности основаниями – расчетным способом по гидролитической кислотности и сумме обменных оснований; качественный состав гумуса по методу Тюрина в модификации Пономаревой и Плотниковой (Орлов, 1969); общее содержание и качественный состав легкорастворимых солей в водной вытяжке при соотношении почва:вода = 1:5 (Аринушкина, 1970); максимальную гигроскопичность определяли по методу А.А. Николаева; водопроницаемость определяли методом заливных площадок при постоянном напоре. Размер внешней рамки 5050 см, внутренней – 2020 см.
Экспериментальные данные подвергались статистической обработке дисперсионным, корреляционным и регрессионным анализами.
Глава 3. Закономерности изменения свойств черноземов в зависимости
от длительности использования под пашню
Распашка целины вызывает существенное преобразование естественных факторов почвообразования черноземов за счет замены постоянной степной травянистой растительности на ежегодно сменяемые монокультуры агроценозов и проведения периодических разнообразных механических обработок пахотного слоя, которое способствует развитию ряда процессов, вызывающих изменение разных свойств почв: содержания гумуса, емкости катионного обмена и состава обменных катионов, физических характеристик, содержания питательных элементов и др.
Изменение содержания гумуса в результате длительной антропогенной нагрузки. В пахотных почвах по сравнению с целинными резко изменяются количество и состав гумуса. Целинные почвы сохранили свое высокое плодородие по содержанию гумуса – до 10,6% в верхних горизонтах. Близкие значения отмечены в почвах лесных полос – 10,4%. Анализ показывает, что наиболее интенсивно процессы минерализации органического вещества происходят в первые 50-60 лет с момента распашки почв естественных биоценозов. По истечении этого срока наступает относительная стабилизация почвенных процессов, и снижение содержания гумуса идет более медленными темпами до уровня 6,5-7,0% на водораздельных участках и до 6,0% на склонах на участках пашни 110 летнего срока использования.
На основе наших экспериментальных данных был рассчитан теоретический тренд изменения содержания гумуса при увеличении длительности антропогенной нагрузки (рис. 1).
Рис. 1. Закономерность изменения содержания гумуса в слое 0-20 см в зависимости от длительности использования черноземов в пашне. 1 – среднее значение и диапазон варьирования (минимум и максимум); 2 – аппроксимирующая модель.
На основе полученной модели, аппроксимирующей экспериментальные данные по Каменной Степи, можно ожидать замедление темпов снижения содержания гумуса в пахотном слое в XXI веке до уровня 6,7% к 2040 г. и 6,55% к 2090 г.
Изменения содержания гумуса во времени описывается уравнением y=9,73•T-0,0748, где Т – срок использования пашни. Сохранение баланса органического вещества может быть компенсировано внесением навоза, возделыванием многолетних трав, сидеральных культур и другими приемами, способствующими пополнению почвы свежей органической массой.
Качественный состав гумуса рассмотренных антропогенно-измененных почв сравнительно однороден, однако при увеличении длительности эксплуатации возрастает степень дифференциации состава гумуса по профилю, заключающаяся в увеличении относительного содержания гуминовых кислот с 48,1 до 70,6% и снижении подвижных гуминовых кислот. Уменьшение подвижных гуминовых кислот на пашне происходит крайне резко на границе гумусового горизонта.
Отмечается широкое значение соотношения углерода гуминовых кислот к углероду фульвокислот до величин 2,58-6,87, что может свидетельствовать об усилении растворимости гумусовых веществ как следствие эволюционного развития почв из автоморфного ряда в гидроморфный.
Влагообеспеченность почвы агроценозов с различной продолжительностью использования. Распашка почв естественных биоценозов приводит к изменению почвенно-гидрологических констант и запасов влаги в почвах. По мере увеличения длительности распашки постепенно увеличивается плотность почвы, ухудшается структурное состояние, снижается полная и наименьшая влагоемкость. Влажность завядания сохраняется приблизительно на одном уровне. В результате уменьшается диапазон активной влаги в почве, что сказывается на снижении общего и продуктивного запаса влаги. Наиболее рельефно эти различия проявляются в вегетативный период развития сельскохозяйственных растений.
Определение наименьшей влагоемкости (НВ), влажности завядания (ВЗ) и диапазона активной влаги (ДАВ) показало, что пахотные почвы характеризуются ухудшением этих показателей (табл. 1). В большей степени эти различия отмечены в пахотных и подпахотных горизонтах. Так, наименьшая влагоемкость на залежи в слое почвы 0-20 см равнялась 48,8-44,0%, на пашне с 1992 г. – 39,0% и на пашне с 1952 г. – 31,0-36,8%. Вниз по профилю различия сглаживаются, что особенно заметно с глубины более 50 см.
Таблица 1 – Наименьшая влагоемкость (НВ), влажность завядания (ВЗ) и диапазон активной (ДАВ) черноземов при разной длительности использования в пашне,%
| Слой почвы | Залежь косимая с 1882 г. | Пашня с 1992 г. | Пашня с 1952 г. | ||||||
| НВ | ВЗ | ДАВ | НВ | ВЗ | ДАВ | НВ | ВЗ | ДАВ | |
| 0-10 | 48,8 | 16,0 | 32,8 | 39,0 | 16,1 | 22,9 | 36,8 | 15,7 | 21,1 |
| 10-20 | 44,0 | 16,8 | 27,2 | 39,0 | 16,9 | 22,1 | 31,0 | 16,6 | 14,4 |
| 20-30 | 38,0 | 16,4 | 21,6 | 34,4 | 16,4 | 18,0 | 31,3 | 16,1 | 15,2 |
| 30-40 | 30,8 | 16,0 | 14,8 | 32,5 | 16,0 | 16,5 | 28,4 | 15,7 | 12,7 |
| 40-50 | 31,1 | 15,6 | 15,5 | 31,6 | 15,5 | 16,1 | 28,6 | 15,2 | 13,4 |
| 50-60 | 30,9 | 14,9 | 16,0 | 31,5 | 15,4 | 16,1 | 26,0 | 14,8 | 11,2 |
| 60-70 | 30,2 | 14,3 | 15,9 | 31,4 | 15,3 | 16,1 | 24,2 | 14,4 | 9,8 |
| 70-80 | 27,7 | 13,7 | 14,0 | 29,7 | 14,4 | 15,3 | 24,1 | 14,0 | 10,1 |
| 80-90 | 23,5 | 13,1 | 10,4 | 28,9 | 13,6 | 15,3 | 21,5 | 13,7 | 7,8 |
| 90-100 | 23,5 | 12,4 | 11,1 | 28,2 | 12,7 | 15,5 | 21,4 | 13,3 | 8,1 |
Аналогично изменениям наименьшей влагоемкости изменяется и диапазон активной влаги черноземов. На почвах залежи он составлял 27,2-32,8% против 14,4-22,9% на пашне (слой 0-20 см). Прогрессивные снижения НВ и ДАВ при увеличении длительности распашки происходит главным образом в пахотном слое 0-30 см за счет увеличения плотности почвы с 0,90-1,00 г/см3 в гумусовом горизонте залежного чернозема до 1,10-1,25 г/см3 в пахотном горизонте агрочерноземов и изменения структуры почвы в сторону увеличения доли угловатых агрегатов неправильной формы. Такие изменения почвенно-гидрологических констант вызвали снижение запасов влаги в пахотных черноземах по сравнению с многолетней залежью.
Наибольшими запасами доступной для растений влаги характеризуются залежные степные участки. По мере увеличения длительности распашки запасы влаги в метровом слое уменьшаются.
На участках пашни 1952 (51-54 лет) и 1922 (81-84 лет) гг. распашки
А
Б
НСР0,95 общей влаги 19,5 мм, продуктивной 27,7 мм
Рис.2 - Запас общей (А) и продуктивной (Б) влаги в начале вегетации в зависимости от длительности использования пашни, мм (2003-2006 гг. водораздел, 0-100 см) 1 – среднее значение и диапазон варьирования (минимум и максимум); 2 – аппроксимирующая модель.
содержание общей влаги в метровом слое составляло в начале вегетации соответственно 327,0 и 336,2 мм, продуктивной – 184,3 и 160,7 мм (рис. 2). На залежи косимой запасы влаги в этот период составляли 398,9 (общей) и 211,8 мм (продуктивной). На пашне, введенной в эксплуатации в 1992 г., соответственно 378,9 и 199,6 мм. Таким образом, влагообеспеченность агроценозов ухудшается с увеличением срока длительности антропогенной нагрузки. «Молодая» пашня занимает промежуточное положение между залежными почвами и пашней с более длительным сроком распашки.
Изменение водопроницаемости черноземных почв при увеличении длительности использования. В старопахотных уплотненных почвах происходит снижение водопроницаемости с увеличением срока использования. Наиболее сильно снижение водопроницаемости отмечается в первые годы после распашки целинных почв (рис.3). Это связано с уменьшением крупных межагрегатных пор, которые нарушаются в первую очередь при распашке.
Самая высокая водо-впитывающая способность отмечена на залежном степном участке. При распашке и увеличении длительности использования отмечается закономерное ее снижения к пашне 1992 г., далее в сторону пашни 1952 г. и 1892 г. Она была ниже соответственно в 2,25 раза; 6,33 и 7,8 раза.
Рис. 3- Коэффициент фильтрации в зависимости от длительности антропогенной нагрузки.
Состав обменных катионов. Вовлечение в сельскохозяйственное производство степных (залежных) угодий приводит к значительному изменению количественных и качественных составляющих ППК, отражающих особенности их современного состояния и развития и влияющие на уровень плодородия. Изменения состава почвенно-поглощающего комплекса напрямую связаны с уменьшением содержания гумуса пахотных черноземов и емкости катионного обмена.
Максимальным содержанием обменного кальция характеризовались верхние горизонты чернозема на степном участке – 32,5±0,64 мг-экв/ 100г почвы (пределы колебаний 29,2-38,0) (рис. 4). Распашка приводит к резкому снижению количества обменного кальция в ППК. Уже через 14 лет эксплуатации содержание обменного кальция снизилось до 27,2 ±0,61 мг-экв (пределы 21,6-30,8). Дальнейшее увеличение длительности использования почв в пашне не повлияло на обеспеченность почв кальцием, и его величина была практически такой же, как в пашне с 14 летним сроком использования. Так, на пашне 1952 г. содержание Ca2+ составило 28,6±0,64мг-экв/100 г (на водоразделе) (пределы варьирования 24,4-32,8).
Рис. 4 – Изменение содержания обменного кальция в слое 0-22 см черноземов в зависимости от длительности использования в пашне.
Закономерности изменения показателей реакции среды в течение второй половины XX столетия. Для оценки изменения реакции среды в результате длительной антропогенной нагрузки были использованы имеющиеся литературные, фондовые и собственные материалы. По данным Н.Н.Никаноровой (1953), средневзвешенное значение величины рН водной вытяжки в середине прошлого века для условий Каменной Степи составляло в пахотном слое почвы 6,62±0,061, солевой вытяжки 6,25±0,077 (рис.5). При этом автор отмечает сильную пестроту пространственного распределения величины рН.
Рис. 5 - Динамика изменения рН солевой вытяжки в черноземах Каменной Степи, 1951-2006 гг. (1951г. – Н.Н.Никанорова, 1970-1980гг. – фондовые материалы НИИСХ ЦЧП им.В.В.Докучаева; 2001-2006гг.- Ю.И.Чевердин)
С начала 1950-х гг. прошлого столетия до середины 1970-х гг. сдвиг реакции почвенной среды составил 0,25-0,7 единиц рН солевой вытяжки из слабокислого интервала в нейтральный.
В 2000-х гг. величина рН солевой вытяжки варьировала от 6,97±0,06 до 7,4±0,08 на разных ключевых участках, гидролитическая кислотность составляла 1,21-1,54 мг-экв/100г почвы. Значения рН водной вытяжки от 7,8±0,07 до 8,0±0,10, а в некоторых случаях и выше.
Из этого следует, что на протяжении 50 летнего периода отмечен закономерный сдвиг реакции почвенной среды из слабокислого интервала в нейтральную в сторону. Эти изменения, по нашему мнению, напрямую связаны с усилением гидроморфности черноземных почв и изменением состава почвенно-поглощающего комплекса.
При сохранении отмеченных изменений почвообразовательных процессов можно ожидать тенденцию сдвига реакции среды в щелочною сторону, хотя и меньшими темпами, чем в настоящее время (рис.6).
Рис.6 – Закономерности изменение реакции среды в пахотном слое в зависимости от длительности распашки
Показатели эффективного плодородия черноземных почв в зависимости от длительности антропогенной нагрузки
Нитратный азот. Введение в сельскохозяйственное производство залежных почв вследствие ежегодного оборота пласта, приводит к активизации почвенных процессов в первые годы после распашки, переходу азота почвы из инертного состояния в лабильное и скачкообразному увеличению содержания нитратов. В дальнейшем по мере возрастания длительности распашки и расхода лабильной части гумуса происходит постепенное снижение нитратов во всех горизонтах пахотных черноземов (рис.7).
НСР0,95 0-20 см – 6,6 мг/кг; 0-50 см – 4,7 мг/кг; 0-100 см – 2,2 мг/кг
Рис. 7 – . Содержание нитратного азота в черноземах плоских водоразделов (среднее за 2003–2006 гг.) в зависимости от длительности распашки: слой: 1 – 0–20 см, 2 – 20–50 см, 3 – 50–100 см.
В начале вегетации (май) максимальное количество нитратного азота в пахотном слое почвы отмечается на пахотных участках с длительностью использования 14 и 54 года – 18,8 и 16,8 мг/кг почвы. Залежи, а также пашни с длительностью антропогенной нагрузки более 50 лет по обеспеченности нитратным азотом уступали пахотным участкам, введенным в эксплуатацию в 1992 и 1952 гг. Так, на пашне с длительностью использования 84 года содержание нитратного азота составило 17,8 мг/кг, на 114 летней пашне – 14,0 мг/кг почвы. В этот же период почвы степных участков содержали всего 12,2-12,4 мг/кг доступного азота.
Особенно контрастно закономерность по различной степени обеспеченности нитратным азотом разновозрастных пашен проявляется в период вегетации - колошение-спелость, когда происходит интенсивное потребление растениями элементов минерального питания. Так если в этот период на залежи косимой обеспеченность азотом составляла 14,1 мг/кг, на 14 летней пашне 27,7 мг/кг, то на пашне с использованием в течение 54 лет – 21,7 мг/кг, на 84летней – 14,8 мг/кг и на 114 летней всего 10,5 мг/кг.
Подвижный фосфор. Агрогенная эволюция почв наложила свой отпечаток на содержание и профильное распределение фосфатов. Наиболее высокой обеспеченностью характеризовались верхние горизонты пашни. Почвы многолетней залежи по содержанию подвижного фосфора уступали пахотным участкам. В распределении подвижного фосфора отмечена такая закономерность: на степных (заповедных) участках наблюдается увеличение его количества с глубиной, на пахотных наоборот - снижение. Так, на залежи косимой в начале вегетации содержание подвижного фосфора изменялось от 42 мг/кг в верхнем 0-10 см слое до 72 мг/кг почвы в нижнем 90-100 см слое. В то время как на пахотных участках наблюдался обратный процесс профильного снижение содержания фосфора с 164 до 94 мг/кг на пашне 1952 г. и с 161 до 72 мг/кг на пашне 1922 г. Такая же закономерность сохранялась до конца вегетации.
Почвы молодой пашни (1992 г.) и наиболее старой из исследованных (1892 г.) характеризовались наиболее низкой обеспеченностью из всех пахотных почв и занимали промежуточное положение между почвами залежей и средневозрастными пашнями.
Во-первых, по мере увеличения длительности распашки происходит сначала постепенное увеличение содержания подвижного фосфора в течение 50 лет, достигая максимума в интервале 60-70 лет, а затем более быстрое снижение его содержания. При этом через 114 лет распашки содержание подвижного фосфора остается больше по сравнению с многолетней залежью.
НСР0,95 0-20 см – 33,0 мг/кг; 0-50 см – 44,0 мг/кг; 0-100 см – 25,0 мг/кг
Рис. 8 – обеспеченность почв доступным фосфором в зависимости от длительности использования, период обследований 2003-2006 гг.
Обменный калий. Минимальное количество обменного калия, также как отмечалось выше по азоту и фосфору, характерно для черноземов залежных степных участков. Естественное сложение почв естественных биоценозов без ежегодного механического перемешивания верхних горизонтов и ежегодное высокое поступление корневых остатков приводит к стабилизации почвенных процессов и закреплению калия в необменной форме.
Количество обменного калия в верхнем слое почвы (0-20 см) на косимой залежи в среднем за годы проведения исследований составило в начале вегетации 77 мг/кг. Вниз по профилю почв отмечается снижение его содержания до 30 мг/кг в горизонте 50-100 см. Участок некосимой залежи отличался более высоким содержанием обменного калия – 165 мг/кг (0-20 см слой). Более высокая обеспеченность связана с ежегодным поступлением зольных веществ с опадом листьев. Так как в настоящее время некосимый участок степи представляет собой заросли древесно-кустарниковой растительности.
Распашка и вовлечение в сельскохозяйственное производство степных почв повышает долю обменного калия. При чем этот процесс, по нашим данным, характерен для почв с продолжительностью использования до 50 лет. В дальнейшем отмечается закономерное снижение, особенно заметное в верхних горизонтах почвы. В нижних горизонтах содержание обменного калия практически одинаково по всем угодьям, хотя некоторое преимущество все же остается за пашней (рис. 9).
НСР0,95 0-20 см – 69,8 мг/кг; 0-50 см – 32,6 мг/кг; 0-100 см – 12,5 мг/кг
Рис. 9 – Обеспеченность черноземов обменным калием в зависимости от длительности распашки (среднее за 2003–2006 гг., май): 1 – слой 0–20 см; 2 – слой 20–50 см; 3 – слой 50–100 см.
Установлена корреляционная зависимость между содержанием в почве элементов минерального питания и реакцией среды черноземов. Знак корреляции имеет отрицательное значение. Коэффициент корреляции между рН солевой вытяжки и N-NO3 составил -0,44-0,93, для подвижного фосфора -0,61-0,94 и обменного калия -0,26-0,91. Отрицательные значения коэффициентов корреляции указывают на снижение доступности для растений важнейших элементов питания при изменении реакции среды почв и перехода их в градацию слабощелочных. Это может быть одной из причин снижения эффективности минеральных удобрений, отмечаемого в последнее время на черноземных почвах.
Глава 4. Сезонно переувлажненные почвы Каменной Степи
Проблема возникновения и распространения поверхностно переувлажненных и затапливаемых почв в последние десятилетия приобретает все большую актуальность. Несмотря на длительную историю изучения почвенного покрова Каменной Степи, насчитывающую более чем столетний период, до последнего времени картографированием почв в этом направлении никто не занимался.
На обследованной территории имеется более 120 ареалов переувлажненных почв (рис.10), которые приурочены к следующим ландшафтным ситуациям:
1) ареалы с замкнутыми западинами расположенными на плосковершинных водораздельных поверхностях. Такие участки с небольшими по площади пятнами переувлажненных почв создают предпосылки для формирования многокомпонентных почвенных комбинаций и пестроту почвенного покрова. Часть ареалов располагается вблизи влияния лесных полос.
2) к широким вогнутым в плане поверхностям, ложбинам и лощинам на склонах переходящими в балки. Основная масса очагов переувлажнения сгруппирована по отвершкам ложбин и балок, и приурочена непосредственно к ним или в некоторых местах располагаются на незначительном удалении от них. В связи с резким увеличением площади почв, подвергшихся переувлажнению, происходит переход некогда высокоплодородных земель с черноземами в бросовые земли.
3) к днищам лощин и балок выше искусственных водоемов.
Рис. 10 - Общая схема распространения временно переувлажненных и затопленных почв Каменной степи (май 2006 г.). Обозначения: 1 – очаги переувлажнения; 2 – лесополосы (цифрой указан номер); 3 – автодорога; 4 – населенный пункт.
К причинам вызывающих значительную амплитуду колебания уровня грунтовых вод (УГВ), можно отнести следующие.
Во-первых, это особенности геологического строения. Преобладающими материнскими породами являются карбонатные лёссовидные глины и суглинки. Ниже расположены валунные глины, достигающие местами значительной мощности (15 метров и более). Преобладающий гранулометрический состав – глинистый и тяжелосуглинистый.
В вогнутых элементах мезо- и микрорельефа рельефа происходит сосредоточение поверхностного стока.
Проявление сезонного переувлажнения обусловлено литологической неоднородностью четвертичных отложений, что совпадает с выходом на поверхность (на глубине 1,2-2 м) коричневато-бурой слобоводопроницаемой карбонатной глины. По относительному водоупору происходит медленное растекание влаги и вместе с тем из-за малой емкости свободного порового пространства от поверхности до близко расположенного водоупора. Горизонтальные глинистые кутаны по граням структурных отдельностей также препятствуют передвижению воды вниз по профилю.
Второй, немаловажной причиной подъёма УГВ, является изменение биоклиматических условий, и в первую очередь суммы атмосферных осадков.
По результатам наблюдений за более чем 100-летний период (с 1892 года) в Каменной Степи отмечается тенденция увеличения их количества и, особенно во вторую половину XX столетия. Увеличение составило в среднем 50-70 мм. Причем характерной особенностью в данный промежуток времени является повышение количества атмосферных осадков в холодный период года (на 70-90 мм) на фоне повышения среднесуточной температуры воздуха (с 5,04 до 6,020 С). В связи с этим участились такие климатические явления, как часто повторяющиеся оттепели в зимний период, выпадение осадков в виде мокрого снега и дождя. Коэффициент корреляции между УГВ и годовой суммой осадков составил r= -0,717±0,139.
Третьей причиной увеличения УГВ является всё усиливающееся антропогенное многогранное, многостороннее воздействие на сложившиеся веками биоценозы. Сюда можно отнести строительство дорог, прудов, в отдельных случаях неправильное размещение лесных полос, использование тяжелой сельскохозяйственной техники, влагонакопительные приемы и т.д.
Спорным вопросом является оценка роли лесных полос в сезонной переувлажненности почв. Лесные полосы водораздельных пологих участков не являются причиной грунтового переувлажнения почв. Под ними отмечается снижение базового уровня грунтовых вод по отношению к прилегающей территории. Лесные полосы, посаженые же поперек склона, могут вызвать увеличение площадей временно затапливаемых почв в ранневесенний период.
Тенденции изменения свойств почв под влиянием эволюционного развития автоморфных черноземов в сезонно переувлажненные почвы.
Характер изменения увлажненности почвенной толщи приводит к изменению течения окислительно-восстановительных реакций. В условиях низкого стояния грунтовых вод происходит активизация восстановительных процессов.
Морфологические изменения черноземов в результате сезонного переувлажнения характеризуются появлением признаков квазиглееватости (оливковый оттенок в окраске нижних горизонтов, бурые и черные мелкие железистые и железисто-марганцовые конкреции), иногда признаков глееватости (сизые кутаны и/или сизые диффузные полосы вдоль закрытых трещин), прожилок мучнистого гипса в средней части профиля некоторых почв, а также выцветов солей на поверхности почвы. Кроме того, в гумусовом или пахотном горизонте на стенках трещин и крупных пор в сухой период (конец июля – август) после длительного сезонного затопления и(или) сильного поверхностного переувлажнения формируются желтые и красные пленки оксидов и гидроксидов железа в результате смены восстановительных условий на окислительные.
При понижении грунтовых вод в засушливые годы многие отмеченные морфологические признаки сезонных восстановительных процессов либо полностью отсутствуют, либо слабо выражены.
Сезонное переувлажнение почв в условиях жаркого лета способствует накоплению и миграции легкорастворимых солей. Во второй половине XX века можно выделить, по крайней мере, два периода по интенсивности накопления солей. Активная водорегулирующая деятельность человека в середине XX века (строительство крупных водоемов, начало массированного орошения неблагоприятными по составу водами, более равномерное распределение снега на полях, вместо его сноса в овраги, вследствие посадки лесных полос) на фоне засушливой фазы многолетнего климатического цикла вызвало засоление переувлажненных почв, что отмечалось при почвенном обследовании в 1970-х – 1980-х годах (Адерихин и др., 1984). В 1990-х и 2000-х годах в условиях влажной фазы многолетнего климатического цикла наблюдалось постепенное рассоление таких участков (рис. 11). При этом в почвенном растворе сохраняется низкая концентрация натриевых солей. В условиях интенсивного испарения с поверхности переувлажненной почвы во время жаркой погоды (обычно в мае) возникает периодическое появление выцветов солей на поверхности почвы.
А Г
Рис. 11 Распределение солей (активность иона натрия в пасте с влажностью 50%, ммоль/л) в почвах исследуемого участка западнее лесополосы № 131. А – слой 0–30 см; Г – 150–200 см. Слабое засоление при активности натрия более 20 ммоль/л.
Минерализация и состав грунтовых вод. Проведенные нами исследования минерализации грунтовых вод Каменной Степи в течение ряда лет указывают на их высокую пространственную и сезонную вариабельность. От пресных до средне- и высокоминерализованных. Сумма солей варьирует от 0,21 г/л до 12,6 г/л. На водораздельных участках почв, как правило, она редко превышает 1,5-2,0 г/л. Большие значения отмечаются, в основном, на участках с близким залеганием грунтовых вод и проявлением признаков засоления и осолонцевания.
Реакция среды грунтовых вод слабощелочная или близка к нейтральной. Из анионов лидирующие положение занимает в одних случаях ион SO42-, в других НСО3-. На плоских водоразделах Каменной Степи в составе грунтовых вод преобладают гидрокарбонат-ионы до 90,0% от суммы анионов (до 16,3 мг-экв/л), на склонах в очагах переувлажнения почв – сульфаты (до 91,0% от суммы анионов, до 88 мг-экв/л).В катионном составе превалирует натрий с долей до 94,0% (15,2 мг-экв) от суммы катионов. Подчиненное положение занимает магний. Доля ионов кальция, в большинстве случаев, составляет 10-15% от суммы катионов.
Важно отметить, что в условиях Каменной Степи природные воды с высокой щелочностью и наличием соды встречались и ранее, хотя довольно редко. Это были единичные случаи, характерные для почв солонцовых комплексов. В настоящее время содовые воды распространились более широко, и они встречаются в виде грунтовых и прудовых вод. Отличительной особенностью грунтовых вод является их относительно низкая минерализация. В химическом составе грунтовых вод ион СО32- занимает подчиненное положение до 3,8 мг-экв/л отмечаемый не каждый год и не по всем участкам. Но даже такая сравнительно небольшая доля карбоната натрия в сумме с бикарбонатом поднимает реакцию воды до щелочной с показателями рН выше 8,0.
Состав водных вытяжек черноземных почв. Проведенные исследования на мониторинговых площадках показали, что за период наблюдений с 1989 г. по 2006 г. отмечается изменения в составе водных вытяжек. За истекший период увеличилось общее содержание солей, особенно в нижних горизонтах почвы – с 0,22 до 0,30%. В иллювиальном горизонте отмечено увеличение содержания сульфатов. По всем горизонтам почвы отмечено существенное увеличение щелочности, выраженное количеством гидрокарбонатов в водной вытяжке – с 0,15 до 0,72 мг-экв/100г. В составе катионов также произошли заметные изменения. Хотя лидирующее положение, в общем, осталось за кальцием, но это превышение сузилось до незначительных величин. Если в 1989 г. различия между кальцием и натрием составляли пятикратную величину в пользу кальция, то в 2004 г. она составляла всего несколько десятых долей, и в одних случаях превалировал кальций, в других - натрий.
Глава 5. Процессы почвообразования в почвах черноземных солонцовых комплексов в постмелиоративный период их развития
Морфологическое строения почвенного профиля почв солонцовых стационаров. В условиях солонцового стационара № 1 через 55 лет появились первые морфологические признаки солонцового процесса в слое насыпанного материала гумусового горизонта чернозема. На поверхности почвы под слоем подстилки появились редкие белесые скелетаны. Изменилась структура бывшего чернозема. Мелкие комковато-зернистые агрегаты слиплись в глыбки и призмовидные отдельности, на боковых гранях которых встречаются редкие натечные гумусово-глинистые кутаны. На месте бывшего пахотного слоя, ныне погребенного на глубину около 15 см постепенно начинает восстанавливаться солонцовый горизонт. В сухие годы в нем появляются вертикальные трещины, которые обособляют призмовидные отдельности шириной 6-12 см с гумусово-глинистыми черными натечными кутанами на боковых гранях. Вместе с тем, в этом горизонте сохраняются признаки, свидетельствующие о том, что материал раньше подвергался отвальной вспашке. На границе между насыпанным слоем и погребенной почвой, а также внутри бывшего пахотного слоя погребенной почвы встречаются фрагменты пылеватых белесых скелетан, имеющих толщину от 1 до 3 мм, длину 1-5 см и ширину 0,5-2 см. Погребенный бывший пахотный слой имеет характерную структуру, представленную угловатыми агрегатами неправильной формы с матовыми гранями, возникающими в результате растрескивания крупных плотных глыб при усадке по разным направлениям.
Таким образом, активная регенерация свойств черноземов и солонцов в пределах бывшего пахотного слоя и развитие солонцового процесса в материале гумусового горизонта чернозема, нанесенного поверх распаханного солонца для его мелиорации (прием землевания), и полное соответствие результатов регенерации ареалам исходных почв до мелиорации (согласно почвенной карте 1952 г.) позволяет сделать заключение, что современные факторы почвообразования продолжают поддерживать почвенные процессы, которые к середине XX века привели к формированию почвенной комбинации из черноземов обыкновенных и черноземов перерытых на водоразделах между лощинами, черноземов солонцеватых на бортах лощин и солонцов и черноземов выщелоченных в днищах лощин.
Физические свойства мелиорированных почв. Проведенные исследования показали изменение физических свойств солонцовой почвы и сохранение в длительном последействии качественной структуры, свойственной черноземам, нанесенной на поверхность массы. Практически это проявляется в снижении глыбистости и средневзвешенного диаметра структурных отдельностей. Возможно, на этих вариантах, создаются условия, приводящие к купированию пептизации почвенных коллоидов при изменении влажности почвы.
Землевание солонцов черноземной массой оказалось более радикальным средством в изменении свойств почв. При сухом рассеве средневзвешенный размер почвенных частиц для верхнего насыпного слоя почвы 0-15 см был намного ниже по сравнению с глубокой вспашкой и равнялся при применении одного землевания (делянка 3) 5,56 мм, землевание в сочетании с навозом (делянка 11) – 4,77 мм, землевание с предварительным внесением гипса 10 т/га (делянки 4 и 10) – 4,80-4,51мм. Для погребенного горизонта 15-35 см эти показатели составили соответственно 5,83, 5,62 и 5,83-4,99 мм. Выявленные закономерности изменения размера частиц при сухом рассеве имели такую же направленность и при мокром просеивании. Размер частиц уменьшался от варианта с землеванием к вариантам с навозом в дозе 60 т/га и гипсованию по всем исследуемым горизонтам почвы.
В целом, агрофизические свойства мелиорированных почв отличаются высокими показателями структурности. Наиболее оптимальными значениями структуры почв характеризуются варианты с предварительным нанесением черноземной массы на солонцовые пятна. Для верхнего мелиорированного слоя почвы 0-15 см коэффициент структурности равнялся 1,89-7,65. В то время как на контрольном варианте с одной глубокой вспашкой коэффициент структурности составлял 2,49 (делянка №15), обычная глубокая вспашка на 30-35 см в сочетании с навозом не способствовала заметному улучшению структурности солонцовых почв. Коэффициент структурности в этом случае был близок к варианту со вспашкой – 2,61. То же самое можно отметить и в отношении варианта вспашки в сочетании с гипсованием, на котором коэффициент структурности составил 1,63. Относительно более высокой структурностью верхнего горизонта почвы характеризовались варианты комплексной мелиорации, включавших в себя предварительное гипсование с нанесением массы чернозема слоем 15 см. Значение коэффициента структурности составило в этом случае 4,25-5,28.
Состав водных вытяжек почв. Наиболее благоприятный состав и минерализация водных вытяжек выявлены в горизонтах почвенных разрезов, отнесенных к несолонцовым разностям – разрезы 242, 273, 275 и 278. Эти разрезы характеризуются низким содержанием солей в первом полуметре. Сухой остаток в них колеблется в интервале 0,16-0,26%. В иллювиальном горизонте количество солей увеличивается до 0,44%. Профильное распределение солей с увеличением от верхних горизонтов к нижним показывает, что они поступают на этих почвах из нижележащих горизонтов. В этих почвах при относительно низкой концентрации солей содержание ионов натрия достигает 5,21 мг-экв/100 г почвы, а ионов кальция варьирует всего от 0,25 до 0,75 мг-экв/100 г почвы. В разрезах 242 и 273 велика доля магния. Максимальные значения отмечены в верхних горизонтах – 2,75 мг-экв/100 г. В почвообразующей породе опускается до 1,0 -2,0 мг-экв/100 г. В разрезах 275 и 278 содержания магния по всему профилю колеблется в интервале 0,25-0,75 мг-экв/100 г.
В анионном составе отмечены существенные изменения по отношению к началу проведения исследований. По всем анализируемым черноземным почвам стационара в настоящее время отмечено наличие хлоридов. Если в 1953 г. хлориды в основном отсутствовали в составе водных вытяжек (И.Н.Антипова – Каратаев, И.А.Юрин, Г.М.Кадер и др., 1960, с.139). То в настоящее время они отмечаются по всем разрезам и максимальное значение достигает величины 1,1 мг-экв/100 г почвы (разрез 242). Но в основном в пределах 0,55-0,75 мг-экв/100 г.
Состав анионов в основном не изменился и в большинстве случаев он сохранил гидрокарбонатно-сульфатный состав. Вместе с тем, необходимо отметить, общее увеличение содержания гидрокарбонатов и сульфатов. В настоящее время они находятся на более высоком уровне. В период 1953-1955 гг. содержание сульфатов в черноземе обыкновенном составляло 0,21-0,68 мг-экв/100 г почвы в слое почвы 0-15 см и повышалось до 2,08 – 2,64 мг-экв/100 г в слое 130-150 см. По данным 2007 г. содержание сульфатов в черноземах стационара изменялось от 0,77 - 4,11 мг-экв/100 г в верхнем слое почвы до 0,5-3,6 мг-экв/100 г почвы в нижних иллювиальных горизонтах. Такая же закономерность отмечается и по содержанию гидрокарбонатов. Особенно заметно увеличение их содержания в переходных к почвообразующей породе горизонтах. Так, если в 1955 г. содержание HCO3 в слое 0 - 15 см составляло 0,50 мг-экв/100 г, то в 2007 г. оно было выше – до 0,95 мг-экв. На глубине 130-150 см соответственно – 2,28 мг-экв/100 г и 0,85 – 3,0 мг-экв/100 г.
Присутствие нормальной соды отмечается лишь по отдельным разрезам и преимущественно в нижних горизонтах. При этом в количественном выражении современное содержание СО3 несколько выше, чем в первые годы исследований. В настоящее время содержание СО3 составляет 0,3-0,6 мг-экв/100г, а в 1953-1955 гг. не превышало величину 0,2 мг-экв/100г почвы.
Под влиянием прогрессирующих процессов вторичного осолонцевания на общем фоне повышения засоленности почв стационара №1 происходит повышение содержания сульфатов и хлоридов натрия при постепенном повышении щелочности почвенных растворов. Почвенные растворы почв стационара становятся более щелочными, особенно в подпахотных горизонтах (ВС, BD).
Состав обменных катионов. Землевание солонцов материалом гумусового горизонта чернозема способствовало увеличению запасов обменного кальция в мелиорированной почве. Вместе с тем, сохранение почвы в гидроморфном режиме с периодическим промыванием поверхностных горизонтов талыми водами весной и интенсивным испарением и транспирацией влаги летом вызвали постепенное накопление водорастворимых солей и небольшого количества обменного натрия. В результате в вариантах землевания без гипсования (делянка № 10) в 2000-х годах верхние горизонты до глубины 50 см содержали обменный кальций в пределах 59-64%, обменный магний – 24-29%, и обменный натрий – 7-15% от ЕКО (табл. 2).
Для чернозема на делянке №15 характерно наиболее высокое содержание обменного кальция (71-78% от ЕКО) и наименьшее содержание обменного магния (18-23% от ЕКО). Благодаря расположению исследуемого чернозема в составе солонцового комплекса в нем появляется заметное количество обменного натрия на глубине более 20 см, составляющее 1-2 мг-экв/100 г (2-4% от ЕКО).
Землевание с дополнительным гипсованием (делянка № 12) в длительном последействии способствует более медленному изменению состава обменных катионов, тормозя восстановление солонца. По этой причине в этом варианте в настоящее время наблюдается самое лучшее соотношение обменных катионов по сравнению со всеми остальными вариантами мелиорации, выполненной полвека назад, но оно все равно значительно хуже, чем в черноземе, расположенном в том же солонцовом комплексе. Доля обменного кальция составляет 64-68%, доля магния – 25-27%, а доля натрия – 5-8% от ЕКО.
Таблица 2 - Состав обменных катионов в почвах солонцового стационара №1 (2003 г.)
| точка опробования* | Глубина, см | Обменные катионы | ||||||||
| мг-экв/100 г почвы | % от ЕКО | |||||||||
| Ca | Mg | Na | K | ЕКО | Ca | Mg | Na | K | ||
| 1* | 0-20 | 34,28 | 9,27 | 0,52 | 0,40 | 44,47 | 77,1 | 20,8 | 1,2 | 0,9 |
| 20-35 | 31,47 | 7,57 | 1,00 | 0,30 | 40,34 | 78,0 | 18,8 | 2,5 | 0,7 | |
| 35-50 | 37,84 | 12,60 | 2,10 | 0,41 | 52,95 | 71,5 | 23,8 | 4,0 | 0,8 | |
| 2* | 0-20 | 20,66 | 14,67 | 8,63 | 0,41 | 44,37 | 46,6 | 33,1 | 19,5 | 0,9 |
| 20-35 | 18,94 | 18,63 | 16,77 | 0,37 | 54,71 | 34,6 | 34,1 | 30,7 | 0,7 | |
| 35-50 | 22,27 | 12,25 | 14,67 | 0,33 | 49,52 | 45,0 | 24,7 | 29,6 | 0,7 | |
| 3* | 0-20 | 26,80 | 14,54 | 5,97 | 0,31 | 47,62 | 56,3 | 30,5 | 12,5 | 0,7 |
| 20-35 | 26,26 | 16,70 | 9,04 | 0,40 | 52,40 | 50,1 | 31,9 | 17,3 | 0,8 | |
| 35-50 | 37,84 | 12,60 | 9,18 | 0,42 | 60,04 | 63,0 | 21,0 | 15,3 | 0,7 | |
| 4* | 0-20 | 23,50 | 12,83 | 4,56 | 0,32 | 41,21 | 57,0 | 31,1 | 11,1 | 0,8 |
| 20-35 | 23,20 | 12,74 | 7,46 | 0,29 | 43,69 | 53,1 | 29,2 | 17,1 | 0,7 | |
| 35-50 | 28,76 | 13,95 | 7,52 | 0,36 | 50,59 | 56,8 | 27,6 | 14,9 | 0,7 | |
| 5* | 0-20 | 28,60 | 12,74 | 3,10 | 0,36 | 44,80 | 63,8 | 28,4 | 6,9 | 0,8 |
| 20-35 | 28,90 | 11,45 | 7,54 | 0,57 | 48,46 | 59,6 | 23,6 | 15,6 | 1,2 | |
| 35-50 | 25,70 | 12,60 | 4,58 | 0,57 | 43,45 | 59,1 | 29,0 | 10,5 | 1,3 | |
| 6* | 0-20 | 29,50 | 11,10 | 2,40 | 0,30 | 43,30 | 68,1 | 25,6 | 5,5 | 0,7 |
| 20-35 | 29,50 | 11,71 | 2,80 | 0,23 | 44,24 | 66,7 | 26,5 | 6,3 | 0,5 | |
| 35-50 | 27,00 | 11,10 | 3,50 | 0,28 | 41,88 | 64,5 | 26,5 | 8,4 | 0,7 | |
* точки опробования: 1 – чернозем обыкновенный (постагрогенный), делянка 15; 2 – солонец на целине; 3-6 – варианты мелиорации солонцов: 3 – глубокая вспашка, делянка 15; 4 – вспашка + гипсование, делянка 13; 5 - землевание, делянка 10; 6 – землевание + гипсование, делянка 12. ЕКО – емкость катионного обмена.
Динамика изменения содержания обменного натрия. Одним из важных критериев эффективности мероприятий по мелиорации солонцовых почв является оценка изменения содержания обменного натрия. Для сравнения разных вариантов коренного преобразования солонцовых пятен в улучшении свойств почвы нами систематизированы данные по многолетней динамике содержания обменного натрия. Они включают имеющиеся результаты, полученные с момента закладки солонцовых стационаров в Каменной Степи с 1952-1954 гг. до 1989 г. (И.Н.Антипов –Каратаев, И.А.Юрин, И.Ф.Поротиков) и проведенные нами собственные исследования с 1996 по 2005 гг. На момент проведения последнего почвенного обследования (2005 г.) срок последействия составлял 53 года.
Содержание обменного натрия в черноземе обыкновенном, часть ареала которого расположена на делянке № 15 в поверхностном слое 0-15 см практически не менялось в течение всего периода наблюдений (рис. 11, линия 1) – его содержание колебалось в пределах 0,3-0,64 мг-экв/100 г почвы (не более 1% от суммы обменных катионов).
Рис. 11 - Динамика содержания обменного натрия в слое почвы 0-20 см на стационаре №1 с 1954 по 2005 гг. Варианты опыта: 1, 2 – делянка №15, глубокая вспашка; 1 – чернозем; 2 – солонец; 3, 4, 5 – мелиорированные солонцы; 3 – делянка № 13, вспашка + гипсование; 4 – делянка № 10, землевание; 5 - делянка № 12, землевание + гипсование.
Вместе с тем, для остальной части гумусового горизонта слои (15-35 и 40-60 см) отмечены существенные изменения. До начала 1990-х годов в слое 15-35 см содержание обменного натрия сохранялось в пределах 0,1-0,5 мг-экв/100 г. (<1% от суммы обменных катионов) (рис. 12, линия 1). С 1996 г. наблюдается постепенное его увеличение до 1,89 мг-экв/100 г в 2003 г. (5,8% от суммы обменных катионов). В нижней части гумусового горизонта (слой 40-60 см) еще в 1950-х годах отмечалось содержание обменного натрия от 1,2 до 2,8мг-экв/100 г в связи с близким залеганием грунтовых вод. В начале 2000-х годов этот интервал стал немного шире – от 1,4 до 4,8 мг-экв/100 г почвы. Из этого следует, что при сохраняющемся близком к поверхности залегании грунтовых вод черноземы обыкновенные подвержены постепенному засолению и накоплению обменного натрия.
Землевание солонца без проведения фонового гипсования (делянка № 10) способствовало созданию временных благоприятных условий для развития растений. В верхнем мелиорируемом слое почвы 0-15(20) см в течение 15-20 лет от начала эксперимента (с 1954 г. до середины 1970-х) обменный натрий практически отсутствовал. Его содержание не превышало 0,3-0,7 мг-экв/100 г (рис. 11, линия 4). В верхнем слое погребенного солонца на глубине 15(20)-35 см в этот период также произошло заметное снижение обменного натрия с 8-10 до 1-2 мг-экв/100 г почвы (рис. 12, линия 4). Вместе с тем, в более глубоких горизонтах солонца (35-100 см) сохранялись воднорастворимые соли и
Рис. 12 - Динамика содержания обменного натрия в слое почвы 20-35 см на стационаре №1 с 1954 по 2005 гг. Варианты опыта: 1, 2 – делянка №15, глубокая вспашка; 1 – чернозем; 2 – солонец; 3, 4, 5 – мелиорированные солонцы; 3 – делянка № 13, вспашка + гипсование; 4 – делянка № 10, землевание; 5 - делянка № 12, землевание + гипсование.
достаточно высокое содержание обменного натрия (от 3 до 9 мг-экв/100 г). Через 20-30 лет после проведения мелиоративного воздействия в условиях сохранения гидроморфного режима они стали способствовать постепенному восстановлению содержанию обменного натрия в верхнем слое погребенного солонца на глубине 15(20)-35 см и постепенному его накоплению в насыпанном материале гумусового горизонта чернозема, вызывая его вторичное осолонцевание. В дальнейшем в 1990-х и 2000-х годах содержание обменного натрия постепенно увеличилось до значений 3,1-4,7 мг-экв/100 г почвы (9,8-10,6% от ЕКО) в обоих слоях 0-20 и 20-35 см, практически устранив исходные их различия по рассматриваемому показателю.
В солонце, верхняя часть профиля которого была механически разрушена только глубокой вспашкой (делянка №15) и с 1954 г. по настоящее время не испытывала других агрогенных воздействий, в течение всего рассматриваемого периода времени содержание обменного натрия в верхних горизонтах оставалось приблизительно на одном уровне от 4 до 11 мг-экв/100 г (10-25% от ЕКО) с колебаниями то в меньшую, то в большую сторону (рис. 11, 12, линия 2).
Гипсование солонца на фоне отвальной вспашки (делянка № 13) способствовало заметному снижению содержания обменного натрия до 0,2-0,7 мг-экв/100 г в начальный период после проведения мелиоративного воздействия (рис. 3, 4, линия 3). Но уже через 5-7 лет в начале 1960-х после расхода гипса началось постепенное восстановление содержания обменного натрия до уровня 2-4 мг-экв/100 г в слое 0-20 см и 4-6 мг-экв/100 г в слое 20-35 см, который сохранялся до 1990-х годов. В 2000-х годах в этом варианте также наблюдалось увеличение содержания обменного натрия с большими колебаниями в отдельные годы.
Таким образом, анализ полученных данных свидетельствует о значительном мелиорирующем эффекте применяемых вариантов коренной мелиорации черноземных почв в течение 10-15 лет после выполнения воздействий. Тем не менее, начиная с конца 80-х годов прошлого столетия, по истечении около 30 лет после мелиорации в условиях сохранения гидроморфного режима почв отмечается четкая тенденция повышения доли натрия в составе почвенно-поглощающего комплекса во всех вариантах, как затронутых мелиорацией, так и на контрольных делянках.
Состояние мелиорированных влажнолуговых солонцовых комплексов при их сельскохозяйственном освоении (стационар №2)
Минерализация и уровень грунтовых вод. Максимальная глубина залегания уровня грунтовых вод в момент начала проведения почвенных исследований отмечалась на черноземе обыкновенном вне опытного участка. В период 1954-1957 гг. среднегодовая его величина равнялась 2,39 м с амплитудой колебания 0,63 м. Максимальный уровень был характерен для мая месяца – 2,06 м (в среднем за месяц) и минимальный в сентябре - 2,69 м. В последующие годы происходит резкий скачок поднятия уровня грунтовых вод до совершенно иных отметок. В период 1958-1965 гг. он в среднем за год был на отметке 1,54 м.
При этом амплитуда колебаний уже составляла 1,50 м, т.е. изменилась по сравнению с предшествующим периодом более чем в два раза. В дальнейшем, в период с 1966 по 1980 гг. и с 1981 по 1995 гг., происходит закономерный подъем грунтовых вод. Среднегодовая величина их составляет соответственно 1,51 и 1,12 м. При этом максимальный подъем грунтовых вод в этот временной промежуток смещается на более ранний период – на апрель месяц со значениями 0,92 и 0,58 м. Срок наступления наиболее низкого уровня грунтовых вод не изменился. Он отмечался в один срок – сентябрь месяц. Но абсолютные значения претерпели существенные изменения с 2,69 м за 1954 – 1957 гг. до 1,52 м в период 1981 – 1995 гг. Таким образом, если судить по среднегодовым показателям УГВ, эти почвы можно отнести к влажно-луговым.
Минерализация грунтовых вод в настоящее время варьирует в интервале 1,4-2,2 г/л. Химический состав сульфатно-гидрокарбонатный с нормальной содой кальциево-магниево-натриевый (табл. 3). Сравнение результатов 1950-х и 2000-х годов свидетельствуют, что минерализация и химический состав грунтовых вод практически не изменились за время проведения исследований. По данным на период закладки стационара минерализация грунтовых вод составляла в разрезе №163 в обыкновенном черноземе 2249 мг/л, в солонцах (разрезы №158, 161, 162) – 1402-1478 мг/л (Антипов-Каратаев и др., 1960, с.165).
Таблица 3 - Состав грунтовых вод на стационаре № 2 в 2000-х годах.
| Точка | рН | мг-экв/л | Сухой остаток, мг/л | ||||||||
| CO32- | HCO3- | Cl- | SO42- | NO3- | Сa2+ | Mg2+ | Na+ | K+ | |||
| 1 | 8,15 | 1,6 | 13,4 | 1,0 | 19,2 | 0,1 | 0,3 | 4,7 | 20,0 | 0,02 | 2220 |
| 2 | 8,20 | 2,0 | 13,0 | 1,3 | 9,0 | 0,1 | 0,4 | 4,1 | 19,5 | 0,02 | 1380 |
| 3 | 8,25 | 0,8 | 9,6 | 1,3 | 9,8 | 0,02 | 0,5 | 4,0 | 19,1 | 0,02 | 1380 |
Точки опробования: 1 - чернозем напротив делянки № 4; 2 – делянка № 4 землевание +навоз 40 т/га; 3 – ареал переувлажненной почвы с осокой на делянке № 4.
В совокупности сохранение сульфатно-гидрокарбонатного натриевого химического состава, близкое залегание от поверхности грунтовых вод, их напорный характер и подъем их во второй половине 20 века создали условия быстрого и сильного проявления вторичного осолонцевания нанесенного материала гумусового горизонта чернозема, которое отмечали уже в первые годы после проведения почвенных мелиораций (Антипов-Каратаев и др., 1960).
Динамика содержания обменного натрия. Рассмотрение полученных экспериментальных материалов показывает, что изменение по годам содержания обменного натрия по вариантам мелиорации содово-сульфатных солонцов с помощью таких приемов, как мульчирование его поверхности черноземной массой, как с предварительным гипсованием, так и без него, отмечается постепенное увеличение содержания обменного натрия (рис.13). Причем не выявлено явного преимущества варианта с предварительным гипсованием. То же самое отмечается и на варианте с внесением 60 т/га навоза. Что касается чернозема «обыкновенного», то появление солонцовых свойств начинает проявляться со второго полуметра глубины.
Рис. 13 - Содержание обменного натрия в слое 0-20 см, 1953-2004 гг.
По верхнему слою почвы (0-20 см) пределы нижней границы солонцеватости были достигнуты уже спустя 9 лет (1962 г.) после проведения землевания (делянка №3). Доля обменного натрия повысилась за этот период с 0,17 мг-экв/100 г. почвы (0,4%) до 3,91 мг-экв/100г (10,3%) с последующем увеличением в 2004 г. до величины 7,38 мг-экв/100г (14,5%), что соответствует средней степени солонцеватости.
Продуктивность многолетних трав на почвах солонцовых комплексов. Основным результатом всех технологических приемов является повышение плодородия и создание условий для рационального использования сельскохозяйственных угодий. Особое значение это имеет при мелиорации малопродуктивных солонцовых почв.
Наиболее существенное снижение продуктивности трав отмечается на солонцовых почвах. Между остальными группами почв различия по продуктивности трав находятся в пределах ошибки опыта.
По средним данным за три года урожай зеленой массы естественных трав был равен (ц/га): на солонце – 63,4; луговой солонцеватой почве – 81,5; черноземе солонцеватом – 86,9; черноземе комплексном несолонцеватом и слабосолонцеватом – 90,8. На солонце луговом и мочаристой луговой почве урожайность трав была и близка между собой – 61,6 и 67,3. Максимальные значения отмечены вне опытного участка с урожайностью 120,1 ц/га зеленой массы пырея.
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ
1. Преобразование степного ландшафта в агролесоландшафты в течение XX века способствовало изменению сочетания факторов почвообразования, спровоцировало антропогенную трансформацию свойств черноземов под пашней и новый этап эволюционного развития автоморфных черноземов в полугидроморфные и гидроморфные почвы.
2. В процессе использования черноземных почв под пашней отмечается изменение большинства основных показателей их плодородия. Трансформация свойств почв обусловлена, с одной стороны, периодом времени антропогенного сельскохозяйственного воздействия, с другой, изменившимися экологическими условиями, связанными с усилением увлажненности агроландшафта и подъемом уровня грунтовых вод.
3. Антропогенное воздействие на почвенный покров приводит к изменению почвенных гидрологических констант, влагообеспеченности агроценозов. В старопахотных черноземах изменяется комплекс физических свойств поверхностных горизонтов до глубины приблизительно 50 см: увеличивается плотность пахотных горизонтов до 1,1-1,2 г/см3, доля глыбистой фракции агрегатов и уменьшается количество водопрочных агрегатов, водопроницаемость в 6-8 раз, НВ с 31-48 до 28-37% и ДАВ с 15-33 до 13-21%.
4.На общем фоне сохранения нейтральной реакции среды гумусовых горизонтов черноземов в течение второй половины XX века произошло увеличение рНн2о и рНkcl на 0,8-1,0 единицы рН из слабокислого интервала в нейтральный.
5. За вторую половину XX века в черноземных почвах произошло увеличение доли обменного магния с 3-4 до 7-10 мг-экв/100 г почвы. В результате соотношение обменных кальция и магния достигло критического значения (меньше 5,5), которое предполагает возникновение угрозы изменения структурного состояния черноземов в отрицательную сторону.
6. Длительное сельскохозяйственное использование черноземов в пашне влияет на содержание подвижных соединений элементов минерального питания растений. В начальный период после распашки целинных почв отмечается резкое увеличение нитратного азота (в первые 20-30 лет использования), подвижного фосфора и обменного калия (в течение 50-60 лет). С увеличением длительности использования почв происходит постепенное снижение подвижных форм питательных элементов, что вызывает необходимость применения специального комплекса агротехнических мероприятий.
7. Снижение содержания гумуса в черноземах Каменной Степи в зависимости от длительности распашки подчиняется общей закономерности: максимально высокие темпы снижения содержания гумуса характерны в первые годы эксплуатации черноземов. По истечении 50-60 лет сельскохозяйственного производства наступает фаза равновесного состояния и гумусовое состояние черноземов обыкновенных стабилизируется на уровне 6,5-7,0%. Изменения во времени минимальных и максимальных статистических значений содержания гумуса имеет более резко выраженный характер. После резкого их уменьшения в первые годы относительная стабилизация этих показателей наблюдается уже после 20-30 лет распашки.
8. В связи с поднятием в условиях Центрально-Черноземной зоны почвенно-грунтовых вод произошли изменения направленности почвообразовательных процессов. Отмечается эволюционная трансформация чернозёмов в лугово-чернозёмные, чернозёмно-луговые и даже в луговые почвы, а также возникновение опасности развития засоленных и осолонцованных почв. Вследствие этого необходима разработка мероприятий по регулированию водного баланса территории.
9. Впервые за время проведения почвенных исследований и существования стационара «Каменная Степь» создана карта затапливаемых и сезонно переувлажненных почв. На обследуемой территории отмечено более 120 ареалов, подверженных временному переувлажнению. Длительность весеннего срока затопления определяется складывающимися метеорологическими условиями предшествующего осенне-зимнего периода и характером распределения осадков. Наибольшая длительность отмечается при высокой влажности почвенной толщи в осеннее время и значительным количеством выпавшего снега в зимние месяцы. Существенным фактором способствующим росту переувлажненных почв является уменьшение их промерзания в зимние месяцы вследствие повышения температуры воздуха.
10. При лесокультурном освоении мелиорированных почв, включая все варианты мелиоративных воздействий и целинный солонец, характерно постепенное увеличение содержания обменного натрия в поверхностных горизонтах в 1990-х и 2000-х годах. Очевидно, это связано с сохранением гидроморфного режима почв в течение всего наблюдаемого периода и постепенного накопления воднорастворимых натриевых солей.
11. В распаханных солонцах, не подвергавшихся другим мелиоративным воздействиям, в течение 30 лет после прекращения ежегодной вспашки сохранялся более или менее постоянный уровень содержания обменного натрия в поверхностных горизонтах, характерный для этих почв, обеспечивая возможность восстановления солонцов.
12. Гипсование солонца на фоне глубокой вспашки способствовало временному снижению обменного натрия в течение 5-7 лет. После расхода гипса началось медленное восстановление обменного натрия, который сохранялся на более низком уровне (2-4 мг-экв/100 г) еще около 30 лет (до начала 1990-х годов).
13. Землевание солонцов материалом гумусового горизонта чернозема обеспечило очень низкое содержание обменного натрия (менее 0,7 мг-экв/100 г) в поверхностном слое 0-20 см в течение 15-25 лет (до середины 1970-х годов). В последующий период отмечено постепенное увеличение содержания обменного натрия до 4-8% от суммы обменных катионов, свидетельствующее о появлении физико-химических условий развития солонцового процесса.
В результате более чем 50-тилетнего последействия землевание как в чистом виде, так и в сочетании с гипсом в дозе 10 т/га на луговых корковых солонцах сульфатно-содового засоления при лесомелиоративном освоении сохраняются и поддерживаются физико-химические условия развития солонцового процесса. По мере увеличения длительности периода развития почвы после мелиоративного воздействия физико-химические условия солонцового процесса распространились на весь профиль почвы, включая насыпанный материал гумусового горизонта чернозема.
14. Варианты землевания с коренным преобразованием солонцовых почв при сельскохозяйственном их использовании мало различаются между собой по характеру многолетней динамики содержания обменного натрия и его вертикального распределения по профилю. Выделяются три стадии последовательного накопления солей и обменного натрия в мелиорированных почвах. На первой стадии в течение 5-7 лет после начала наблюдений происходит общее накопление обменного натрия по всему профилю, что отражается приблизительно параллельным сдвигом кривой вертикального распределения обменного натрия вправо. На второй стадии происходит перераспределение натрия – подтягивание его в верхние горизонты из средней части профиля. Эта стадия продолжалась около 30 лет с начала 1960-х до начала 1990-х годов. На третьей стадии, протекающей в настоящее время, происходит новый этап накопления натрия по всему профилю при более высоком уровне стояния грунтовых вод.
15. Коренные приемы мелиорации луговых черноземных солонцов, включающие в себя нанесение черноземной массы на пятна солонцов слоем до 20 см и применение химических мелиорантов позволяют трансформировать низко плодородные, малопродуктивные комплексы луговых черноземно-солонцовых почв в высокопродуктивные сельскохозяйственные сенокосные и пастбищные угодья период эффективного использования которых составляет не менее 50 лет на фоне продолжающего свое развитие солонцового процесса. Землевание обеспечивает существенное и длительное последействие данного приема в изменении свойств солонцовых почв по сравнению с прилегающими немелиорированными почвами. Продуктивность естественных трав в этом случае достигает до 120 ц/га зеленной массы. Дальнейшее использование солонцовых комплексов будет зависеть от активности развития солонцового процесса.
ПРЕДЛОЖЕНИЯ ПРОИЗВОДСТВУ
1. При реализации концепции развития агропромышленного комплекса ЦЧЗ в современных условиях при усилении проявления признаков гидроморфизма и трансформации черноземных почв в луговые целесообразна разработка методов двустороннего регулирования водного баланса агроценозов на основе совершенствования систем ведения сельского хозяйства. На участках пашни с длительным и систематическим грунтовым переувлажнением необходимо снизить интенсивность влагонакопительных мероприятий, ограничить применение приемов сбережения влаги и активизировать проведение культурнотехнических и технологических приемов по отводу избыточной влаги.
В условиях недостаточного увлажнения в целях получения гарантированных стабильных и высоких урожаев возделываемых сельскохозяйственных культур необходимо применять разработанные НИУ зоны рекомендации по сбережению почвенной влаги.
2. В современных экономических условиях при резком недостатке материально технических средств исходя из возможностей экономической целесообразности часть комплексов солонцово-черноземных почв может быть выведена из активного сельскохозяйственного производства и использована в качестве кормовых и пастбищных угодий.
На луговых черноземных солонцах смешанного и содового типов засоления, занимающих локальные пятна в структуре почвенного покрова при близком залегании грунтовых вод, рекомендуется комплексный метод мелиорации, включающий землевание слоем до 20 см, внесение гипссодержащих мелиорантов (в условиях глубокого залегания природного гипса), повышенных доз органических удобрений. Для землевания можно использовать серийные машины, оснащенные техническими средствами для проведения планировочных работ.
С целью предупреждения появления кальциевого дефицита в почвах и избежание в них вторичного осолонцевания необходимо проведение мероприятий по профилактическому гипсованию после освоения солонцовых земель.
СПИСОК ОСНОВНЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
Список работ, опубликованных в рекомендуемых ВАК РФ журналах
1. Свиридов А.К., Васютин А.А., Чевердин Ю.И., Агафонова Ю.А. Параметры эволюционных стадий черноземов юго-востока ЦЧЗ // Плодородие. – 2006. - №1. – с.15-17.
2. Чевердин Ю.И. Длительность распашки и физическое состояние черноземов Каменной Степи// Земледелие. - 2008. - №3. - С.28-30.
3. Чевердин Ю.И., Титова Т.В. Водопроницаемость черноземных почв в зависимости от степени проявления гидроморфизма.// Плодородие. – 2008. - №6. – с.40-41.
4. Чевердин Ю.И., Богатых О.А. Эколого-агрохимическое состояние почв Каменной Степи// Агрохимический вестник. – 2008. - №6. – с.16 – 18.
5. Чевердин Ю.И., Зборищук Ю.Н. Тенденции изменения климатических условий в Каменной Степи// Вестник МГУ. Серия Почвоведение. – 2009. - №1. – с.24-27.
6. Чевердин Ю.И. Влияние комплекса естественных и антропогенных факторов на плодородие черноземов // Вестник РАСХН. – 2009. - №3. – с.37-38.
7. Рымарь В.Т., Чевердин Ю.И. Влагообеспеченность почв агроценозов в зависимости от длительности антропогенной нагрузки// Земледелие. – 2009. - №5. – с.3-5.
8. Чевердин Ю.И. Физическое состояние пахотных горизонтов черноземов Каменной Степи при распашке / Плодородие. – 2009. - №4. - с.44-46.
9. Хитров Н.Б., Чевердин Ю.И., Поротиков И.Ф. Солонцовый процесс в постагрогенных и постмелиоративных условиях Каменной Степи/ Почвоведение. – 2009.- №11. – с.106-115.
Монографии
10. Зборищук Ю.Н., Рымарь В.Т., Чевердин Ю.И. Состояние черноземов обыкновенных Каменной Степи // Монография. – М., 2007. – 160 с.
Статьи, опубликованные в сборниках научных конференций
и симпозиумов
11. Чевердин Ю.И., Поротиков И.Ф. Мелиорация солонцовых почв и рациональное использование сезонно переувлажненных почв/ Система ведения агропромышленного производства Воронежской области на 1996 – 2000 гг.// Воронеж, Центрально – Черноземное книжное изд – во, 1996, в 2 ч. – с.40-43.
12. Поротиков И.Ф., Чевердин Ю.И., Шеншина Н.А. Мелиорация и использование солонцовых и кислых черноземных почв/ Эффективность сельскохозяйственного пр-ва на черноземах Каменной Степи (К 110-летию Особой экспедиции В.В.Докучаева) – Каменная Степь – С-Петербург, 2003. – с.53-66.
13. Чевердин Ю.И., Поротиков И.Ф., Сверидов А.К., Титова Т.В., Иванов В.А. Роль лесных насаждений в сезонной переувлажненности почв Каменной Степи//Черноземы Центральной России: генезис, география, эволюция/ Матер. междунар. научной конфер. посвященной 100-летию со дня рождения основателя Воронежской школы почвоведов П.Г.Адерихина, 25-28 мая 2004 г. – Воронеж, 2004. – с.328-332.
14. Покудин Г.П., Чевердин Ю.И., Тепляков С.Г., Воронин А.А. Причинно-следственная связь уровня грунтовых вод с гидротермическими условиями// Черноземы Центральной России: генезис, география, Эволюция/ Матер. междунар. научной конфер. посвященной 100-летию со дня рождения основателя Воронежской школы почвоведов П.Г.Адерихина, 25-28 мая 2004 г. – Воронеж, 2004. – с.301-303.
15. Васютин А.А., Чевердин Ю.И. Уровень грунтовых вод в связи с изменившимися погодными условиями. – Материалы региональной конференции «Состояние и перспективы развития земледелия, агролесомелиорации и экономики землепользования в АПК ЦЧЗ» 28 – 30 июня 2004 г. – Каменная Степь – Санкт- Петербург, 2004. – с.57 – 59.
16. Васютин А.А., Чевердин Ю.И. Гидрогенез черноземов Каменной Степи. - Материалы региональной конференции «Состояние и перспективы развития земледелия, агролесомелиорации и экономики землепользования в АПК ЦЧЗ» 28 – 30 июня 2004 г. – Каменная Степь – Санкт- Петербург, 2004. – с.104 – 107.
17. Рымарь В.Т., Покудин Г.П., Суров В.А., Чевердин Ю.И. Тенденции изменения климата и устойчивость агроэкологических систем// Проблемы интенсификации и экологизации земледелия России/ Матер. науч.-практ. конф.. 14-15 июня 2006 г. – п.Рассвет, 2006. – с.539-545.
18. Чевердин Ю.И., Павлюченко А.У., Титова Т.В. Оптимизация плотности сложения чернозема обыкновенного/ Черноземы России: экологическое состояние и современные почвенные процессы: материалы Всероссийской конференции, посвященной 70-летию кафедры почвоведения и агрохимии Воронежского государственного университета. – Воронеж: ВГУ, 2006. – с.244-246.
19. Чевердин Ю.И., Павлюченко А.У., Титова Т.В. Структурное состояние чернозема обыкновенного при антропогенных воздействиях в кормовом севообороте/ Черноземы России: экологическое состояние и современные почвенные процессы: материалы Всероссийской конференции, посвященной 70-летию кафедры почвоведения и агрохимии Воронежского государственного университета. – Воронеж: ВГУ, 2006. – с.246-248.
20. Хитров Н.Б., Чевердин Ю.И. Особенности распространения сезонно-переувлажняемых и затопляемых почв Каменной Степи // Материалы Международной научной конференции «Пространственно-временная организация почвенного покрова: теоретические и прикладные аспекты», 1-3 марта 2007 года, Санкт-Петербург. - Издательский Дом С.-Петербургского гос. университета, 2007. - с.363-365.
21. Хитров Н.Б., Чевердин Ю.И. Причины возникновения и география временно переувлажненных и затопленных почв Каменной степи // Бюллетень Почвенного института им. В.В. Докучаева.- 2007. - Вып. 59. - с. 3-13.
22. Поротиков И.Ф., Чевердин Ю.И. Мелиорация и использование солонцовых почв Центрально-Черноземной полосы // Каменная Степь: проблемы изучения почвенного покрова. Научные труды Почвенного института им. В.В. Докучаева. - 2007. – с.201-208.
23. Хитров Н.Б., Чевердин Ю.И. Распространение сезонно переувлажненных и затопленных почв в Каменной Степи // Каменная Степь: проблемы изучения почвенного покрова. Научные труды Почвенного института им. В.В. Докучаева. - 2007. - с.121-133.
24. Хитров Н.Б., Лебедева И.И., Чевердин Ю.И., Чижикова Н.П., Ямнова И.А. Морфологические свойства почв Каменной Степи // Каменная Степь: проблемы изучения почвенного покрова. Научные труды Почвенного института им. В.В. Докучаева. - 2007. – с.36-71.
25.Чевердин Ю.И., Дорохин И.Н., Титова Т.В. Последействие орошения на физические свойства черноземных почв // Материалы международной конференции «Современная агрофизика – высоким агротехнологиям». - Санкт-Петербург, 2007. - с.146-147.
26. Чевердин Ю.И., Дорохин И.Н., Медведева О.Л., Титова Т.В. Изменение содержания подвижных форм макроэлементов в черноземах Каменной Степи.// Современные технологии в сельском хозяйстве / Материалы международной научно-практической конференции, посвященной 70-летию Оренбурского НИИСХ. – Оренбург, 2007. - с.342-348.
27. Чевердин Ю.И. Состояние мелиорированных влажнолуговых солонцовых комплексов Каменной Степи при их освоении/ Материалы научно-практической конференции «Проблемы и пути реализации потенциала производства зерна в Центральном Черноземье» и заседания территориального координационного совета «Проблемы земледелия ЦЧЗ» Каменная Степь 31мая – 1 июня 2007г. – Каменная Степь – С-Петербург, 2007. – с.42-43.
28. Чевердин Ю.И. Гумусовое состояние черноземов Каменной Степи// Материалы Международной научно-практической конференции посвященной 65-летию Ульяновской ГСХА 20-22 мая 2008 года: Актуальные вопросы аграрной науки и образования. – Т.1: Агрономия и агроэкология. – Ульяновск, 2008. – с.206-207.
29. Чевердин Ю.И. Гумусовое состояние черноземов обыкновенных различного характера использования/ Энтузиасты аграрной науки: Труды Кубанского ГАУ. – Краснодар, 2008. – Вып.8. – с.123-126.
30. Чевердин Ю.И., Богатых О.А. Эколого-агрохимическое состояние почв Каменной Степи/ Энтузиасты аграрной науки: Труды Кубанского ГАУ. – Краснодар, 2008. – Вып.8. – с.237-241.
31. Чевердин Ю.И. Качественный состав гумуса черноземов Каменной Степи/ Энтузиасты аграрной науки: Труды Кубанского ГАУ. – Краснодар, 2008. – Вып.7. – с.185-189.
32. Чевердин Ю.И., Беспалов В.А., Киценко В.П. Состав обменных оснований почв разновозрастных пашен/ Энтузиасты аграрной науки: Труды Кубанского ГАУ. – Краснодар, 2008. – Вып.7. – с.182-185.
33. Чевердин Ю.И., Титова Т.В. Изменение состояния луговых солонцов. // Материалы V съезда Всероссийского общества почвоведов им. В.В. Докучаева, Ростов-на-Дону, 18-23 августа 2008 г. - с. 407.
34. Чевердин Ю.И. Влагообеспеченность почв агроценозов с различной продолжительностью использования// Инновационные процессы в сельскохозяйственном производстве: наука и практика/ Международный сборник научных трудов, Оренбургский НИИСХ. – Оренбург, 2008. – с.143-149.
35. Чевердин Ю.И Состав водорастворимых солей сезоннопереувлажненных почв //Актуальные проблемы повышения эффективности агропромышленного комплекса. /Матер. Междунар. научно-практ. конф. Курск, 2008.- С.301-303.
36. Чевердин Ю.И., Богатых О.А., Титова Т.В., Рябцев А.Н. Динамика изменения свойств почв в результате длительного антропогенного воздействия. // Научно-практические основы сохранения и воспроизводства плодородия почв ЦЧЗ / Матер. засед. территор. коорд. совета «Проблемы земледелия ЦЧЗ».- Каменная Степь.-2008.- С.26-36.
37. Рымарь В.Т., Чевердин Ю.И., Поротиков И.Ф., Титова Т.В. Сохранение плодородия и рациональное использование сезоннопереувлажненных почв Воронежской области: рекомендации. – Воронеж: «Истоки», 2008. – 42 с.
38. Богатых О.А. Чевердин Ю.И. Гидротермический режим черноземных почв Каменной Степи//Актуальные проблемы повышения эффективности агропромышленного комплекса. /Матер. междунар. научно-практ. конф. - Курск, 2008.- С.303-305.
39. Титова Т.В., Чевердин Ю.И. Гумусное состояние почв Каменной Степи под воздействием гидроморфизма//Актуальные проблемы повышения эффективности агропромышленного комплекса. /Матер. междунар. научно-практ. конф. - Курск, 2008.- С.294-295.
40. Чевердин Ю.И.,Титова Т.В. Изменение состояния сезонно переувлажненных почв/ Агроэкологическое состояние и перспективы использования земель России, выбывших из активного сельскохозяйственного оборота/ Матер. Всероссийской научной конференции, Москва, 13-14 мая 2008 г.- М., 2008. – с.383-384.
41. Чевердин Ю.И. Структурно-агрегатное состояние солонцовых почв в постмелиоративный период/ Продукционный процесс растений: теория и практика эффективного и ресурсосберегающего управления: Матер. Всерос. конф. с междунар.участием. Посвящается памяти акад. РАСХН Е.И.Ермакова. – С-Петербург, 2009. – с.285-286.
42. Хитров Н.Б, Ельцов М.В., Роговнева Л.В., Чевердин Ю.И. Варьирование морфометрических характеристик почв Каменной Степи / Разнообразие почв Каменной Степи: Научн.тр. Почвеннный институт им.В.В.Докучаева, 2009. – с.60-77.
43. Хитров Н.Б., Чевердин Ю.И. Роговнева Л.В., Нацентова С.В. Особенности структуры почвенного покрова приводораздельного пологого склона в условиях современного сезонного переувлажнения/ Разнообразие почв Каменной Степи: Научн.тр.Почвеннный институт им.В.В.Докучаева, 2009. – с.98-123.
44. Чевердин Ю.И., Поротиков И.Ф. Минерализация грунтовых вод и особенности соленакопления сезонно переувлажненных черноземных почв. / Разнообразие почв Каменной Степи: Научн.тр.Почвеннный институт им.В.В.Докучаева, 2009.- с.124-135.
45. Чевердин Ю.И., Поротиков И.Ф., Иванов В.А. Изменение состава обменных катионов луговых солонцов Каменной Степи (стационар №1) в течение второй половины XX века/ Разнообразие почв Каменной Степи : Научн.тр.Почвеннный институт им.В.В.Докучаева, 2009. – с.254-266.
46. Чевердин Ю.И., Поротиков И.Ф., Иванов В.А. Многолетняя динамика грунтовых вод и обменного натрия в мелиорированных почвах солонцового стационара № 2/ Разнообразие почв Каменной Степи : Научн.тр.Почвеннный институт им.В.В.Докучаева, 2009. – с.267-277.
47. Хитров Н.Б., Чевердин Ю.И. Морфологические признаки проявления процессов постагрогенного и постмелиоративного развития почв черноземных солонцовых комплексов Каменной Степи/ Разнообразие почв Каменной Степи : Научн.тр.Почвеннный институт им.В.В.Докучаева, 2009. – с.278-300.
48. Чевердин Ю.И. Продуктивность многолетних трав на почвах солонцовых комплексов/ Разнообразие почв Каменной Степи : Научн.тр.Почвеннный институт им.В.В.Докучаева, 2009. – с.301-306.
49. Чевердин Ю.И., Дорохин И.Н. Показатели эффективного плодородия черноземных почв в зависимости от длительности антропогенной нагрузки/ Разнообразие почв Каменной Степи : Научн.тр. Почвеннный институт им.В.В.Докучаева, 2009. - с.307-321.
50. Чевердин Ю.И. Изменения показателей реакции среды черноземов в течение второй половины XX столетия //Энтузиасты аграрной науки: Труды Куб.ГАУ. - Краснодар, 2009, - вып. 9. - С. 239-243.
