Динамика элементов плодородия чернозема выщелоченного тобол-ишимского междуречья
На правах рукописи
Абрамова Светлана Владимировна
Динамика элементов плодородия чернозема
выщелоченного Тобол-Ишимского междуречья
06.01.03 – Агропочвоведение и агрофизика
Автореферат
диссертации на соискание учёной степени
кандидата биологических наук
Тюмень – 2009
Работа выполнена в Тюменской государственной сельскохозяйственной академии
| Научный руководитель: | доктор сельскохозяйственных наук, профессор Абрамов Николай Васильевич |
| Официальные оппоненты: | доктор биологических наук, с.н.с. Молчанова Инна Владимировна кандидат биологических наук, доцент Хренов Владимир Яковлевич |
| Ведущее предприятие: | Институт почвоведения и агрохимии (г. Новосибирск) |
Защита диссертации состоится «21» мая 2009 г. в 16-00 часов на заседании
диссертационного совета Д 220.064.01 при Тюменской государственной сельскохозяйственной академии.
Адрес академии: 625003, г. Тюмень, ул. Республики, 7,
тел./факс (3452) 46-87-77
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Тюменской государственной сельскохозяйственной академии.
Автореферат разослан «16» апреля 2009 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета,
кандидат с.-х. наук _______________________ Рзаева В.В.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. Черноземы являются лучшими почвами мира.
С полным основанием можно сказать, что продовольственная безопасность во многом определяется продуктивностью черноземов. Они характеризуются идеальной сбалансированностью всех факторов почвообразования и считаются почвенным эталоном. При изучении направленности естественной и антропогенной эволюций черноземов отмечаются деградационные процессы при их интенсивном использовании в пашне (Кирюшин В.И., 1984; Титлянова А.А., Наумов А.В., 1995; Шарков И.Н., 1997; Щеглов Д.И., 2004 и др.).
В почвенном покрове Тюменской области черноземы занимают 598 тыс. га, 75% из которых приходится на пашню. Интенсивная эксплуатация естественного плодородия без соответствующих компенсационных мер может привести к ухудшению агрофизических, физико-химических и биологических свойств почвы.
Изучение генетических особенностей и режимов черноземов Зауралья и Тобол-Ишимского междуречья проводилось преподавателями и научными сотрудниками кафедры почвоведения и агрохимии ТСХИ, результаты исследований которых опубликованы в работах Л.Н. Каретина (1982, 1990). Процессы деградации черноземов Северного Зауралья при интенсивном использовании их в пашне изучены недостаточно, что обусловило направленность наших исследований.
Цель работы – изучение основных показателей плодородия чернозема выщелоченного Тобол-Ишимского междуречья в естественном состоянии и при длительном сельскохозяйственном использовании в пашне.
Задачи исследований:
- провести анализ изменения морфологических признаков почвенного профиля пахотного и целинного чернозема выщелоченного;
- определить гранулометрический состав и особенности перераспределения отдельных фракций по почвенному профилю;
- выявить изменения агрофизических показателей плодородия;
- установить процесс гумусообразования в черноземе выщелоченном на целине и пашне;
- изучить физико-химические свойства целинного и пахотного чернозема выщелоченного;
- оценить запасы энергии органического вещества почвы и закономерность ее распределения по почвенному профилю.
Научная новизна. Впервые экспериментально обосновано положение о природной и антропогенной эволюции чернозема выщелоченного Тобол-Ишимского междуречья, показана динамика морфогенетических, агрофизических и физико-химических свойств. В результате использования чернозема выщелоченного в пашне с 1968 по 2006 гг. выявлены интенсивно развивающиеся деградационные процессы, установлен механизм формирования уплотненных слоев и особенностей гумусообразования.
Практическая значимость работы. Полученные результаты являются обоснованием для разработки технологий возделывания сельскохозяйственных культур, направленных на расширенное воспроизводство плодородия почв. Они могут использоваться для качественной оценки земельных ресурсов, для оценки изменений показателей плодородия при сельскохозяйственном использовании черноземов выщелоченных в пашне, для агроландшафтного земледелия, для ведения мониторинга и в учебном процессе. Биоэнергетическая оценка запасов органического вещества обосновывает целесообразность заделки соломы и введение в севооборот многолетних трав.
Положения, выносимые на защиту:
- Факторы почвообразования за период 1968-2006 гг. не повлияли на элементы плодородия чернозема выщелоченного в естественном состоянии.
- Длительное интенсивное сельскохозяйственное использование чернозема выщелоченного в пашне за период 1968-2006 гг. привело к изменениям морфогенетических, агрофизических и физико-химических показателей чернозема выщелоченного.
- Биоэнергетическая целесообразность использования соломы как органического удобрения для стабилизации запасов гумуса чернозема выщелоченного.
Апробация работы. Наиболее полно результаты исследований изложены в научных отчетах (2005-2008 гг.) и представлены на заседаниях кафедры почвоведения и агрохимии Тюменской государственной сельскохозяйственной академии. Основные положения диссертации доложены на региональной конференции молодых ученых «Актуальные вопросы сельского хозяйства» (г. Тюмень, 2007), на научно-практической конференции «Молодые ученые – развитию агрономического комплекса» (г. Тюмень, 2008).
Личный вклад соискателя. Работа выполнена в Тюменской государственной сельскохозяйственной академии в 2005-2008 гг. Полевые работы, лабораторные анализы, математическая обработка результатов проводились непосредственно автором диссертационной работы в рамках плана НИР кафедры почвоведения и агрохимии. При выполнении работы автором был сделан сравнительный анализ полученных результатов с результатами исследований кафедры почвоведения и агрохимии 1968 и 1990 гг. При участии автора был сделан анализ растительного покрова Заводоуковского района, собраны данные по метеорологическим показателям за период с 1968 по 2006 гг.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 6 научных работ, в т.ч. 2 работы – в ведущих рецензируемых научных журналах, определенных Высшей аттестационной комиссией.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 9 глав, выводов и предложений производству. Содержит 168 страниц машинописного текста, включает 27 таблиц, 9 рисунков, 28 приложений. В список использованной литературы внесено 219 источников, в том числе 6 иностранных авторов.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
1 Чернозем как объект исследования в почвоведении
Приводится обзор литературы о характере происхождения и распространения черноземов. Рассматривается естественная и агрогенная трансформация морфогенетических, агрофизических и физико-химических показателей почвы. Разбирается происхождение и роль гумуса в генезисе черноземов, влияние интенсивного использования их в сельскохозяйственном производстве на запасы и качественный состав гумуса.
2 Объекты и методика исследований
Исследования проводились на стационаре кафедры почвоведения и агрохимии, расположенном около д. Мичурино Заводоуковского района, который был заложен в 1968 г. Стационар расположен в северной колочной лесостепи Тобол-Ишимского междуречья. Объектом исследования послужил чернозем выщелоченный тучный среднемощный среднесуглинистый, сформировавшийся на карбонатном лёссовидном суглинке. Часть чернозема выщелоченного в 1968 г. после детального обследования была распахана и до настоящего времени находится в пашне, часть осталась в естественном состоянии. Результаты исследований 1968 г. были использованы как исходные показатели чернозема. Дальнейшие полевые исследования проводились в разрезах, заложенных на пашне и целине в 1990 и 2006 гг. Почвенные образцы отбирались в каждом генетическом горизонте через 10 см.
Аналитические работы выполнялись в лаборатории кафедры почвоведения и агрохимии Тюменской ГСХА следующими методами: плотность сложения определялась методом Качинского; структурно-агрегатное состояние – методом Саввинова; водопрочность – на приборе Бакшеева; водопроницаемость – методом цилиндров; гранулометрический состав – методом Качинского (Доспехов Б.А., Васильев И.П., Туликов А.М., 1987). Гумус определяли методом Тюрина в модификации ЦИНАО; групповой и фракционный состав гумуса – по Тюрину в модификации Пономаревой и Плотниковой; рН солевой и водной вытяжки – потенциометрическим методом; гидролитическая кислотность – по Каппену; обменные кальций и магний – комплексонометрическим методом ЦИНАО, сумма поглощенных оснований – методом Каппена; подвижный фосфор – по Чирикову, обменный калий – методом пламенной фотометрии, валовые формы фосфора и калия – по К.Е. Гинзбург (ГОСТ 26261-84). Лабораторные исследования проводились согласно руководству по химическому анализу почв Е.В. Аринушкиной (1952). Энергетические запасы в органическом веществе почвы определяли по методике Л. Н. Пуртовой (2002). Результаты анализов обработаны методом дисперсионного анализа (Доспехов Б.А., Васильев И.П., Туликов А.М., 1985).
3 Факторы почвообразования
3.1 Геоморфология
Территория исследуемого района находится в южной части Тобол-Ишимского междуречья Западно-Сибирской низменности. В рельефном отношении она представляет слабоволнистую приподнятую равнину с абсолютной высотой 140-160 м над уровнем моря. Эта часть территории хорошо дренирована овражной сетью. Повышенные, выраженные участки рельефа представлены черноземами выщелоченными.
3.2 Климатические условия
Климат рассматриваемой территории континентальный, формируется под воздействием воздушных масс азиатского материка.
Среднегодовая температура за годы исследований (1968-2006 гг.) составила +1,8°С, что на 0,6°С больше среднемноголетней. Погодные условия за периоды исследований 1968-1990 гг. и 1990-2006 гг. несколько отличаются между собой. Период с 1968 по 1990 гг. был значительно холоднее, чем период 1990-2006 гг. Среднегодовая температура за период 1968-1990 гг. составила +1,2°С, а за период 1990-2006 гг. +2,2°С, что на 1°С больше среднемноголетних значений.
Количество осадков, близкое к среднемноголетнему значению (360 мм ±10%), за этот период отмечалось 13 раз. В 1987, 1990, 2002, 2004 и 2006 гг.
среднегодовое количество осадков превысило среднемноголетнее значение на 58-60%. За годы исследований было девять лет с возможным промывным типом водного режима, где ГТК>1,5 (рис. 1). Остальные годы характеризуются непромывным типом водного режима. Совокупность этих факторов и глубокое залегание грунтовых вод, характерное для черноземов, определяют ход почвообразовательного процесса в условиях периодически промывного типа водного режима.
3.3 Растительность
На территории исследуемого района растительность в основном представлена древесной и травянистой. Древостой отличается довольно высокой продуктивностью, 2-го, чаще 3-го бонитетов, где основной породой является береза, которая занимает главным образом выровненные или слабоповышенные пространства. В понижениях произрастают березовые насаждения 4-го и 5-го бонитетов. Травянистая растительность представлена разнотравьем. Основная часть территории занята посевами сельскохозяйственных культур: пшеницы, озимой ржи, овса, бобовыми, однолетними и многолетними травами, овощными и кормовыми культурами. Сорные растения являются специфичными в своем происхождении для каждого вида культурных растений.
3.4 Почвообразующие породы
Поверхностные отложения на территории исследований представлены четвертичными породами, подстилаемыми неогеновыми и палеогеновыми отложениями морского генезиса (Краснов И.И., Зарина Е.П., 1964; Ломтадзе В.Д. 1968; Волков И.А. и др., 1969; Волкова В.С., 1966, 1971). По содержанию фракции крупной пыли породы региона соответствуют лессовидным породам, но не могут быть отнесены к лессам, для которых характерно содержание фракции крупной пыли более 30% (Каретин Л.Н., 1990). Почвообразующие породы, на которых формируются черноземы выщелоченные Тобол-Ишимского междуречья, представлены в основном карбонатными лессовидными отложениями суглинистого и глинистого гранулометрического состава озерно-аллювиального происхождения. Лёссовидные отложения подстилаются озерными и аллювиальными отложениями мощностью 30-35 м, представленными коричневыми и зелеными глинами с частыми включениями карбонатов.
3.5 Технология возделывания и продуктивность
сельскохозяйственных культур
За годы исследований на пашне были освоены зернопропашной севооборот (1968-1982 гг.), зернопаропропашной (1982-1998 гг.), зерновой с занятым паром севооборот используется до настоящего времени. Система основной обработки почвы отвальная и за 38 лет не изменялась. Вспашка под зерновые –
20-22 см, под предшественники первой группы – 28-30 см.
За 38-летний период на каждый гектар поля было внесено 2 380 кг азота, 920 кг фосфора, 740 кг калия и 50 т навоза, что соответствует 7 000 кг аммиачной селитры, 2 000 кг двойного суперфосфата и 1 233 кг калийной соли. На каждый год использования пашни приходилась доза минеральных удобрений N61P24K19.
В 1984 и 1989 годах на поле было проведено фосфоритование в дозах 5 и 2,5 т/га, что способствовало повышению обеспеченности растений подвижным фосфором и позволило получать урожай без внесения больших доз фосфорных удобрений. В период с 1998 по 2006 гг. органические удобрения на поле не вносились. Основным источником органического вещества на поле стали пожнивные остатки и измельченная солома.
4 Морфогенетические показатели чернозема выщелоченного
Изучение морфогенетических свойств показало, что чернозем выщелоченный под естественной растительностью имеет хорошо развитый гумусо-аккумулятивный горизонт (А+В1) мощностью 56 см, темно-серой, почти чёрной окраски, который с глубиной постепенно приобретает буроватый оттенок. Структура в верхней части – комковато-зернистая, в нижней – ореховато-комковатая. Переход гумусо-аккумулятивного горизонта постепенный, языковатый, гумусовые языки проникают до глубины 75-92 см. Карбонатный горизонт формируется на глубине 108 см. В нижней части профиля встречаются марганцево-железистые вкрапления. В результате природной эволюции морфогенетические показатели данного чернозема не изменяются за период 1968-2006 гг.
После использования чернозема в пашне за период 1968-2006 гг. отмечаются существенные изменения морфологических свойств. К 2006 г. мощность гумусового горизонта (А+В1) уменьшилась с 56 до 46 см. Основные потери отмечаются к 1990 г., составляя 7 см. За период 1990-2006 гг. было потеряно еще 3 см гумусового горизонта. При сельскохозяйственном использовании чернозема выщелоченного в пахотном горизонте исчезла характерная зернисто-комковатая структура, а сформировалась крупно-комковатая с признаками глыбистой. В результате процессов выщелачивания карбонатный горизонт (ВК) к 2006 г. сформировался на 16 см глубже.
5 Агрофизические показатели чернозема выщелоченного
5.1 Плотность сложения
Плотность сложения на целине в слое 0-30 см за годы исследований находилась в пределах 1,00-1,09 г/см3 (табл. 1), что соответствует оптимальному значению для развития растений.
Под действием обработки в черноземе выщелоченном за 38 лет произошли значительные изменения в плотности различных слоёв. Пахотный слой 0-30 см стал более рыхлым – 0,89-0,98 г/см3. Увеличение плотности почвы произошло в слое 30-40 см до 1,26-1,33 г/см3, что вызвано миграцией средней, мелкой пыли и механическим воздействием рабочих органов сельскохозяйственных орудий.
На глубине 70-80 см сформировался еще один уплотнённый слой – 1,44-1,48 г/см3. Глубже 80 см значительных изменений не отмечается.
Таблица 1 – Плотность сложения чернозема выщелоченного, г/см3
| Глубина, см | Целина | Пашня | |||||
| 1968 г. | 1990 г. | 2006 г. | НСР05 | 1990 г. | 2006 г. | НСР05 | |
| 0-10 | 1,08 | 1,03 | 1,00 | 0,08 | 0,89 | 0,98 | 0,09 |
| 10-20 | 1,02 | 0,96 | 1,00 | 0,09 | 0,86 | 0,94 | 0,10 |
| 20-30 | 1,09 | 1,00 | 1,05 | 0,07 | 0,95 | 1,05 | 0,06 |
| 30-40 | 1,18 | 1,14 | 1,16 | 0,08 | 1,26 | 1,33 | 0,08 |
| 40-50 | 1,20 | 1,22 | 1,16 | 0,08 | 1,29 | 1,24 | 0,08 |
| 50-60 | 1,20 | 1,17 | 1,21 | 0,07 | 1,20 | 1,30 | 0,09 |
| 60-70 | 1,35 | 1,28 | 1,26 | 0,08 | 1,38 | 1,33 | 0,10 |
| 70-80 | 1,38 | 1,36 | 1,36 | 0,09 | 1,44 | 1,48 | 0,09 |
| 80-90 | 1,36 | 1,33 | 1,30 | 0,1 | 1,36 | 1,40 | 0,07 |
| 90-100 | 1,40 | 1,42 | 1,46 | 0,08 | 1,45 | 1,41 | 0,08 |
5.2 Структура и водопрочность почвенных агрегатов
Структурно-агрегатный состав в слое 0-30 см на целине за период исследований не изменился, о чем свидетельствует коэффициент структурности – 7,9-8,2. Сельскохозяйственное использование привело к ухудшению структурного состояния чернозема выщелоченного, коэффициент структурности к 1990 г. снизился относительно целины 1968 г. в 3,6 раза. За период 1990-2006 гг. отмечается стабилизация структурно-агрегатного состояния пахотного чернозёма (КС=2,3).
На обрабатываемом поле содержание водопрочных агрегатов снизилось за исследуемый период с 78,4 до 63,6%.
5.3 Водопроницаемость почвенного профиля
Водопроницаемость чернозема выщелоченного по шкале Н.А. Качинского относится к категории наилучших. Естественный почвообразовательный процесс не изменил показатели водопроницаемости во всех генетических горизонтах за период исследований (1968-2006 гг.).
Длительное использование чернозема в пашне к 2006 г. привело к снижению скорости впитывания и фильтрации на глубине 40 и 60 см. Скорость впитывания снизилась на глубине 40 см до 5,9 мм/мин, на глубине 60 см до 2,6 мм/мин, а скорость фильтрации на этих глубинах до 2,2 и 2,0 мм/мин.
6 Гранулометрический состав почвенного профиля
По гранулометрическому составу исследуемый чернозём по классификации Н.А. Качинского (1958) относится к крупно-пылеватому среднему суглинку (рис. 2).
Сельскохозяйственное использование в течении 38 лет привело к перераспределению фракций, составляющих физическую глину, по почвенному профилю. В слое 30-40 см, где происходило активное формирование подплужной подошвы, содержание физической глины увеличилось на 8%. Максимальное увеличение физической глины отмечается в слое 60-70 см и составляет 53%. Начиная с карбонатного горизонта и глубже изменений не отмечается.
Микроагрегатный состав чернозема выщелоченного показал, что на целинном участке за исследуемый период разрушения механических частиц почвы не отмечено, о чем свидетельствует коэффициент дисперсности (3,5-3,6).
Вовлечение чернозема выщелоченного в пашню привело к процессам разрушения механических частиц до глубины карбонатного горизонта. К 2006 г. максимальному разрушению подвергается верхний 0-20 см слой при коэффициенте дисперсности 4,7, что выше целинного на 32%.
7 Гумусное состояние чернозема выщелоченного
7.1 Содержание и запасы гумуса
Для чернозёма выщелоченного в исходном состоянии характерен аккумулятивный полноразвитый тип гумусового профиля с высоким содержанием гумуса в верхней его части, достигающим на целине в 1968 г. – 10,8% в слое
0-10 см. Общие запасы гумуса в метровой толще при этом составляют 501 т/га. Основные запасы гумуса находятся в 0-50 см слое, составляя 89% от общих запасов.
Замена природных экосистем агроценозами привела к снижению содержания гумуса в слое 0-10 см на 1,1% к 1990 г., а в период с 1990 по 2006 гг. на 1,2%. Глубже 0-20 см слоя значительных потерь гумуса не отмечается. Общие потери запасов гумуса к 1990 г. составили 72 т/га, из них 55 т/га в 0-20 см слое. В период с 1990 по 2006 гг. в верхней части профиля (0-20 см) запасы гумуса снизились на 4 т/га, а общие запасы гумуса в метровом слое незначительно увеличились (7 т/га) за счет повышения плотности почвы в слое 30-40 см и
70-80 см.
Гумус чернозёма выщелоченного в исходном состоянии (табл. 2) относится к фульватно-гуматному типу в слое 0-30 см (СГК/СФК – 1,6), с очень высокой степенью гумификации органического вещества (
>40%) (Орлов Д.С., 1981). С глубины 40 см гумус гуматно-фульватного типа (СГК/СФК – 0,7) со средней степенью гумификации (
<30%). При сельскохозяйственном использовании чернозема выщелоченного в результате усиления процессов минерализации, тип гумуса к 1990 г. становится фульватно-гуматным не только в
0-30 см слое, но и в подпахотной части до глубины 70-90 см (СГК/СФК – 2,0-1,0), с высокой степенью гумификации органического вещества (
>36,4-39,0%), сохраняется таким до 2006 г.
| Таблица 2 – Фракционно-групповой состав гумуса чернозема выщелоченного | ||||||||||||
| Глубина отбора проб, см | Собщ.,% | ГК, % от Собщ. | ГК1 | ГК2 | ГК3 | ФК, % от Собщ.% | ФК1а | ФК1 | ФК2 | ФК3 | Нерастворимый остаток, % от Собщ. | СГК/СФК |
| % от суммы ГК | % от суммы ФК | |||||||||||
| Целина, 1968 г. | ||||||||||||
| 0-10 | 6,26 | 48,0 | 26,7 | 60,0 | 13,3 | 25,3 | 6,7 | 5,6 | 73,1 | 14,6 | 26,7 | 1,6 |
| 10-20 | 6,11 | 42,8 | 30,4 | 65,2 | 4,4 | 27,4 | 6,9 | 24,8 | 61,3 | 6,9 | 29,8 | 1,6 |
| 20-30 | 6,13 | 39,9 | 24,1 | 64,9 | 1,1 | 26,6 | 8,3 | 45,1 | 37,6 | 9,0 | 33,5 | 1,6 |
| 40-50 | 3,03 | 22,2 | 0,0 | 100,0 | 0,0 | 22,7 | 12,8 | 49,7 | 26,4 | 1,1 | 55,3 | 1,0 |
| 60-70 | 0,55 | 21,8 | 0,0 | 100,0 | 0,0 | 30,6 | 27,8 | 37,5 | 34,6 | 0,1 | 47,6 | 0,7 |
| 80-90 | 0,31 | 20,1 | 0,0 | 100,0 | 0,0 | 30,5 | 29,5 | 36,4 | 34,1 | 0,0 | 49,4 | 0,7 |
| 100-110 | 0,09 | 18,1 | 0,0 | 100,0 | 0,0 | 31,1 | 30,9 | 34,7 | 34,4 | 0,0 | 50,8 | 0,6 |
| Пашня, 1990 г. | ||||||||||||
| 0-10 | 5,62 | 36,4 | 40,4 | 42,6 | 17,0 | 18,6 | 12,2 | 33,9 | 40,3 | 13,6 | 45,0 | 2,0 |
| 10-20 | 5,56 | 38,6 | 39,9 | 47,7 | 12,4 | 21,0 | 12,9 | 43,3 | 43,3 | 0,5 | 40,4 | 1,8 |
| 20-30 | 3,94 | 37,3 | 37,5 | 52,3 | 10,2 | 22,5 | 12,6 | 46,2 | 40,9 | 0,3 | 40,2 | 1,7 |
| 40-50 | 3,02 | 35,7 | 33,9 | 56,6 | 9,5 | 22,8 | 12,7 | 47,4 | 39,9 | 0,0 | 41,5 | 1,6 |
| 60-70 | 0,55 | 34,1 | 30,9 | 62,1 | 7,0 | 24,4 | 23,0 | 40,6 | 36,4 | 0,0 | 41,5 | 1,4 |
| 80-90 | 0,35 | 25,9 | 23,9 | 72,2 | 3,9 | 25,9 | 22,2 | 43,0 | 34,8 | 0,0 | 48,2 | 1,0 |
| 100-110 | 0,11 | 20,4 | 22,5 | 77,5 | 0,0 | 29,1 | 29,6 | 37,8 | 32,6 | 0,0 | 50,5 | 0,7 |
| Пашня, 2006 г. | ||||||||||||
| 0-10 | 4,95 | 37,1 | 41,0 | 42,9 | 16,1 | 19,2 | 12,8 | 28,9 | 45,8 | 12,5 | 43,7 | 1,9 |
| 10-20 | 5,05 | 39,0 | 40,1 | 48,1 | 11,8 | 20,6 | 14,0 | 41,4 | 41,9 | 2,7 | 40,4 | 1,9 |
| 20-30 | 4,04 | 36,8 | 38,0 | 53,4 | 8,6 | 23,0 | 13,5 | 45,7 | 40,0 | 0,8 | 40,2 | 1,6 |
| 40-50 | 3,12 | 35,4 | 35,2 | 60,1 | 4,7 | 23,0 | 13,0 | 47,0 | 40,0 | 0,0 | 41,6 | 1,5 |
| 60-70 | 0,60 | 34,2 | 31,4 | 63,1 | 5,5 | 24,7 | 22,2 | 45,8 | 31,9 | 0,1 | 41,1 | 1,4 |
| 80-90 | 0,28 | 27,5 | 24,1 | 74,3 | 1,6 | 26,1 | 24,1 | 42,5 | 33,4 | 0,0 | 46,4 | 1,1 |
| 100-110 | 0,09 | 20,0 | 21,0 | 79,0 | 0,0 | 28,9 | 28,5 | 38,2 | 33,3 | 0,0 | 51,1 | 0,7 |
7.2 Качественный состав гумуса
В исходном состоянии (1968 г.) исследуемого чернозема в составе гуминовых кислот (ГК) доминируют гуматы кальция (ГК2) в пределах всей метровой толщи (60-65%), формируя зернисто-комковатую структуру (табл. 2). Свободные ГК и прочносвязанные с R2O3 и глинистыми минералами образуются лишь в верхнем 0-30 см слое (ГК1 – 26,7-24,1% и ГК3 – 13,3-1,1%).
В составе фульвокислот (ФК) в 0-20 см слое преобладают фульваты кальция (ФК2), составляя 61,3-73,1%. Глубже процентное содержание ФК2 в 2 раза меньше. Агрессивная фракция ФК (ФК1а) составляет всего 6,7-8,3% в слое 0-30 см, постепенно увеличиваясь с глубиной до 30%. Содержание подвижной фракции ФК (ФК1) в слое 0-10 см составляет 5,6%, резко увеличивается глубже 10 см, достигая максимальной величины на глубине 40-50 см (около 50%). Связанные ФК с R2O3 и глинистыми минералами (ФК3) наблюдаются только в слое 0-10 см, составляя 12,5-13,6%.
В результате введения чернозема выщелоченного в пашню в составе ГК снизилось количество гуматов кальция, что обусловило появление глыбистой структуры в пахотном горизонте. Количество свободных ГК увеличилось в пределах метровой толщи почвы, являясь резервом для питания растений. Наиболее стабильные ГК (ГК3) остаются на прежнем уровне.
В составе ФК в пределах пахотного горизонта возросла доля «агрессивных» и подвижных фракций, что приводит к усилению процессов выщелачивания. Содержание фульватов кальция снизилось в верхней части профиля в слое 0-20 см с 73,1 до 33,9% по отношению к исходному состоянию. ФК связанные с R2O3 и глинистыми минералами остались в том же количестве.
7.3 Расчет баланса гумуса чернозема выщелоченного при длительном сельскохозяйственном использовании
За период 1968-2006 г. с учетом коэффициентов гумификации навоза и корневых остатков образовалось 8,2 т/га гумуса (табл. 3). В период с 1990 по 2006 гг. образовалось 12,2 т/га гумуса за счет гумификации соломы и корневых остатков. Учитывая средний урожай зерновых культур (30,0 ц/га), в зерновом с занятым паром севообороте в годы с 1990 по 2006 гг. получили положительный баланс гумуса 0,4 т/га в год только за счёт использования соломы зерновых культур. В период с 1968 по 1990 гг., когда не использовали солому, был получен отрицательный баланс гумуса – 0,3 т/га.
Таблица 3 – Баланс запасов гумуса чернозема выщелоченного в слое 0-100 см, пашня
| Показатели | Органическое вещество | Периоды | |
| 1968-1990 гг. | 1990-2006 гг. | ||
| Поступление органических веществ, т/га | Солома | 0 | 63 |
| Корневые остатки | 64 | 50 | |
| Навоз | 50 | 0 | |
| Поступило углерода, т/га | Солома | 0 | 25 |
| Корневые остатки | 25 | 19 | |
| Навоз | 25 | 0 | |
| Образовалось гумуса, т/га | Солома | 0 | 7,4 |
| Корневые остатки | 5,9 | 4,8 | |
| Навоз | 2,3 | 0 | |
| Всего | 8,2 | 12,2 | |
| Минерализовалось гумуса, т/га | 15,7 | 8,1 | |
| Баланс гумуса, т/га | -7,5 | 4,1 | |
| Образуется гумуса за 1 год, т/га | 0,4 | 0,8 | |
| Минерализация за 1 год, т/га | 0,7 | 0,4 | |
| Баланс на 1 год, т/га | -0,3 | 0,4 | |
8 Физико-химические свойства чернозема выщелоченного
8.1 Сумма и состав поглощенных катионов
Чернозём выщелоченный в исходном состоянии имеет ёмкость поглощения около 40 мг-экв./100 г почвы (рис. 3). Среди поглощенных катионов в слое 0-30 см абсолютно преобладают катионы кальция, составляя 80-90%, около 20% – катионов магния.
В пашне емкость поглощения понизилась к 2006 г. и составила 33,7 мг-экв./100 г почвы, содержание катионов магния снизилось почти в 2 раза. Величина гидролитической кислотности в результате использования чернозема выщелоченного в пашне увеличилась с 3,6 до 4,6 мг-экв./100 г почвы.
8.2 Реакция почвенной среды
Реакция почвенной среды гумусового горизонта чернозема выщелоченного слабокислая (рНH2O – 6,5-6,3; рНKCl –5,5).
За период с 1990 по 2006 гг. в пашне происходит подкисление пахотного горизонта, что можно объяснить внесением минеральных удобрений, изменением фракционного состава гумуса, а также минерализацией органических остатков до низкомолекулярных соединений кислой природы.
8.3 Фосфорно-калийный режим
Выщелоченный чернозем в целинном состоянии характеризуется низкой обеспеченностью подвижным фосфором и высокой обменным калием (рис. 4). За период с 1968 по 2006 гг. содержание подвижного фосфора в слое 0-30 см повысилось с 3,2 до 3,7 мг/100 г почвы, что составило 14%, а валовое увеличилось на 8%. Процент подвижного фосфора по отношению к валовому не изменился, что указывает на постоянную реакцию закрепления подвижного фосфора в органическом веществе почвы.
В пашне за период 1968-1990 гг. содержание подвижного фосфора в пахотном слое увеличилось более чем в два раза (7,4 мг/100 г почвы), что объясняется проведенным в 80-е годы двухкратным фосфоритованием. При внесении низких доз фосфорного удобрения с 1990 по 2006 гг. содержание подвижного фосфора понизилось на 0,8 мг/100 г почвы. Валовое содержание фосфора за период 1968-1990 гг. не изменилось, а к 2006 г. понизилось на 18%.
Содержание валового и обменного калия целинного чернозема за период исследований значительно не изменилось. Используя чернозем в пашне, при внесении калийных удобрений до 1990 г., обеспеченность калием оставалась высокой (19,8 мг/100 г почвы). К 2006 г. при отсутствии калийных удобрений содержание обменного калия понизилось на 9%, а валового на 6% в пахотном горизонте.
9 Биоэнергетическая оценка почвообразовательного процесса
чернозема выщелоченного
При длительном сельскохозяйственном использовании почв усиливаются процессы дегумификации, происходит трансформация гумусовых веществ и их перераспределение по почвенному профилю. В итоге энергозапасы пахотных почв существенно отличаются от целинных.
Результаты биоэнергетической оценки показывают, что в органическом веществе чернозема выщелоченного на целине сосредоточено 2 738 млн. ккал/га в метровом слое почвы (рис. 5). Максимальное количество энергии сосредоточено в слое 0-30 см и составляет 1 754 млн. ккал/га.
На пашне к 1990 г. запасы энергии в слое 0-30 см снизились до 1 206 млн. ккал/га, что на 548 млн. ккал меньше относительно целины 1968 г. Это объясняется дегумификацией верхнего горизонта. В слое 30-100 см изменений не отмечается. Измельчение и запашка соломы в период с 1990 по 2006 гг. позволили стабилизировать баланс энергии органического вещества, даже при отказе хозяйства от внесения навоза.
ВЫВОДЫ
- Морфологические признаки чернозема выщелоченного под естественной растительностью соответствуют по основным параметрам данному подтипу Западно-Сибирской фации. Исследуемый чернозем выщелоченный имеет хорошо развитый гумусо-аккумулятивный горизонт (А+В1) – 56 см, темно-серую, почти черную окраску, комковато-зернистую структуру. Карбонатный горизонт формируется на глубине 108 см. В результате природной эволюции морфогенетические показатели данного чернозема не изменяются за период 1968-2006 гг.
- При длительном интенсивном сельскохозяйственном использовании чернозема выщелоченного (1968-2006 гг.) наиболее сильному антропогенному воздействию подвергается верхняя часть пахотного горизонта (0-20 см). Агрономически ценная комковато-зернистая структура теряется и приобретаются признаки глыбистой структуры. Мощность гумусового горизонта уменьшилась на 10 см, что составило 18% от мощности гумусового горизонта целинного чернозема.
- Плотность целинного чернозема за период с 1968 по 2006 гг. не изменилась по всему почвенному профилю и была оптимальной для роста и развития растений. Ежегодные механические обработки чернозема выщелоченного в пашне привели к переуплотнению слоев 30-40 и 70-90 см до 1,33 и 1,40-1,48 г/см3 соответственно.
- Вовлечение в пашню чернозема выщелоченного (1968-2006 гг.) привело к увеличению агрегатов >10 мм с 3,1 до 27,2% в пахотном горизонте. Водопрочность за период с 1968 по 1990 гг. снизилась с 76,6 до 65,6%.
- Сельскохозяйственное использование чернозема выщелоченного в пашне за период 1968-2006 гг. привело к снижению скорости фильтрации на глубине 40 и 60 см до 2,2 и 2,0 мм/мин соответственно.
- Длительное использование чернозема в пашне привело к усилению миграции фракции мелкой пыли и ила, что способствовало формированию иллювиального горизонта в слое 60-90 см. Миграция средней пыли на глубину
30-40 см привела к образованию подплужной подошвы. - Чернозем выщелоченный в естественном состоянии характеризуется высоким содержанием гумуса (10,9%) и высокими его запасами (501 т/га) с очень высокой степенью гумификации органического вещества (
>40%) и фульватно-гуматным типом гумуса (СГК/СФК – 1,9-1,6) в биологически активном
слое профиля (0-30 см). - За время использования чернозема выщелоченного в пашне потери гумуса к 2006 г. в слое 0-10 см составили 2,3% относительно целины 1968 г. Снижение общих запасов гумуса к 1990 г составило 72 т/га, их них 55 т/га в слое 0-20 см. В период 1990-2006 гг. запасы гумуса (0-20 см слоя) снизились на 4 т/га, а общие его запасы увеличились на 7 т/га за счет уплотнения слоев
30-40 см и 70-90 см. - В составе гумуса пашни увеличилось относительное содержание свободных ГК и связанных с устойчивыми R2O3 и глинистыми минералами, содержание гуматов кальция понизилось в пределах всей 0-110 см толщи почвы. В составе ФК пахотного горизонта возросла доля «агрессивной» и подвижной фракций. Фульваты, связанные с кальцием, понизились.
- При использовании чернозема выщелоченного под пашней емкость поглощения снижается с 40,0 до 33,7 мг-экв./100 г почвы за счет усиления выщелачивания катионов магния и кальция. В составе гумуса увеличение фульвокислот привело к повышению гидролитической кислотности на 1 мг-экв./100 г почвы.
- По содержанию подвижного фосфора чернозем выщелоченный в целинном состоянии характеризуется низкой обеспеченностью за весь период исследований (1968-2006 гг.). В слое 0-30 см содержание подвижного фосфора увеличилось за этот период на 14%, а валового на 8%. В пашне за период 1968-1990 гг. содержание подвижного фосфора в пахотном горизонте увеличилось более чем в два раза и составило 7,4 мг/100 г почвы, а с 1990 по 2006 гг. понизилось на 0,8 мг/100 г почвы. Валовое содержание фосфора за период 1968-1990 гг. не изменилось, а к 2006 г. понизилось на 18%.
- По содержанию обменного калия чернозем выщелоченный в целинном состоянии относится к категории высокообеспеченных. За период 1968-1990 гг. содержание валового и обменного калия (2,2% и 19,7 мг/100 г) в пахотном горизонте не изменяется. К 2006 г. при отсутствии калийных удобрений валовое содержние калия уменьшилось на 6%, а обменного на 9%.
- За период 1968-1990 гг. запасы энергии органического вещества метрового слоя чернозема выщелоченного снизились на 595 млн. ккал/га, что составило 22%. За период с 1990 по 2006 гг. запасы энергии увеличились на 61,8 млн. ккал/га (на 3%). На целине энергетический потенциал почвы остался на одном уровне.
ПРЕДЛОЖЕНИЯ ПРОИЗВОДСТВУ
1. Для воспроизводства плодородия старопахотного чернозема выщелоченного следует обеспечить поступление органических удобрений в виде соломы 4,0 т/га, внесением 10 т навоза на 1 га севооборотной площади или введением в севооборот многолетних трав.
2. Для снижения негативного влияния фракции средней пыли, переуплотнения подпахотного 30-40 см слоя проводить периодическое глубокое рыхление через 3-4 года.
СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
- Абрамов Н.В., Еремин Д.И., Абрамова С.В Состав гумуса выщелоченного чернозема Тобол-Ишимского междуречья в естественном состоянии и в условиях длительной распашки // Вестник Красноярского ГАУ. 2007. № 4. С. 52-57.
- Абрамова С.В., Фисунова Ж.А., Еремин Д.И. Изменение агрохимических свойств старопахотных черноземов лесостепной зоны Тюменской области // Актуальные вопросы сельского хозяйства: Сб. науч. тр. региональной конф. молодых ученых. ТГСХА. Тюмень, 2007. С. 46-51.
- Еремин Д.И., Абрамова С.В. Биологическая активность и нитратный режим выщелоченных черноземов и луговых почв Тобол-Ишимского междуречья // Вестник Красноярского ГАУ. 2008. № 2. С. 67-72.
- Абрамов Н.В., Абрамова С.В., Еремин Д.И. Динамика кислотности выщелоченного чернозема с различным периодом использования в пашне // Вестник Тюменской ГСХА. 2008. №1(4). С. 9-11.
- Абрамова С.В. Содержание и запасы гумуса чернозема выщелоченного Тобол-Ишимского междуречья в естественном состоянии и в условиях длительной распашки // Молодые ученые – развитию агрономического комплекса: Сб. науч. тр. науч.-практ. конф. НИИСХ Северного Зауралья СО АСХН. Тюмень, 2008. С. 25-30.
- Еремин Д.И., Абрамова С.В. Особенности фосфорного режима выщелоченного чернозема при длительном использовании под пашней // Молодые ученые – развитию агрономического комплекса: Сб. науч. тр. науч.-практ. конф. НИИСХ Северного Зауралья СО АСХН. Тюмень, 2008. С. 42-47.
Подписано в печать 15.04.2009. Тираж 120 экз.
Печать трафаретная. Заказ 047.
Отпечатано в печатном цехе «Ризограф»
Тюменского Аграрного Академического Союза
625003, г. Тюмень, ул. Республики, 7
