CC BY
136
УДК 631.4
АНТРОПОГЕННАЯ ТРАНСФОРМАЦИЯ КАЧЕСТВЕННОГО СОСТАВА ГУМУСА ЧЕРНОЗЕМОВ КАМЕННОЙ СТЕПИ*
Б. М. Когут, Н. А. Титова, В. С. Булеева Почвенный институт им. В.В. Докучаева Россельхозакадемии
Дан краткий обзор литературы по трансформации гумусового состояния черноземов Каменной Степи под влиянием антропогенных факторов. Представлен сравнительный анализ изменения фракционно-группового состава гумуса (метод Тюрина) за полувековой период использования черноземов Каменной Степи в условиях пашни и лесополос. В пахотном горизонте отмечено уменьшение содержания гумуса за счет наиболее подвижной (лабильной) его части, в основном фульвокис-лот фракции 1 и некоторого количества органических веществ декальцината.
Под воздействием антропогенных факторов происходит трансформация гумусового состояния черноземов. Как отмечает большинство исследователей (Кононова с соавт., 1949; Шевцова, Сизова, 1970; Дьяконова с соавт., 1981; Когут, 1982), изменениям подвержена прежде всего лабильная часть органического вещества. В черноземах она представлена так называемыми подвижными (по Тюрину) гумусовыми веществами, извлекаемыми из почвы непосредственно 0,1 н. раствором NaOH.
Вопрос об изменении фракционно-группового состава гумуса (метод Тюрина в различных модификациях) под влиянием разных систем использования черноземов остается дискуссионным и до конца не изученным.
Вероятно, впервые исследование трансформации качественного состава гумуса под влиянием сельскохозяйственного использования и выращивания лесных полос на черноземах Каменной Степи было проведено М.М. Кононовой и Н.П. Бельчиковой (1953). Ими показано, что гумус черноземов Каменной Степи характеризуется своеобразными чертами: а) преобладанием группы гуминовых кислот над фульвокислотами; б) сложной природой строения гуминовых кислот. Последнее является одной из причин относительно слабого выветривания минералов в почвах Каменной Степи. Наряду с этим, сложная природа гуминовых кислот обусловливает их роль в оструктуривании почвы; хорошая структура черноземов Каменной Степи объясняется не только высоким содержанием гумуса, но и природой гумусовых веществ.
В составе гумуса почв под лесными насаждениями обнаруживается большое содержание новообразованных гуминовых кислот, характеризующихся высокой дисперсностью. Вымываясь из подстилки в почвенные слои, эта группа веществ воздействует на минеральную часть почвы. Од-
* Работа выполнена при финансовой поддержке проекта РФФИ, №06-04-08323.
нако в степных условиях явление выщелачивания под лесными насаждениями все же имеет умеренный характер. Согласно мнению вышеназванных авторов, в результате 50-летнего воздействия лесной полосы на почву состав гумуса в ней сохраняет черты, свойственные черноземам, почва характеризуется высоким содержанием гумуса и остается хорошо острук-туренной. Кроме того, авторами установлено, что в межполосных пространствах среди лесных насаждений почва более гумусирована по сравнению с полями в открытой степи.
Позднее воздействие лесных насаждений на содержание и состав органического вещества обыкновенных черноземов Каменной Степи изучали П.Г. Адерихин и З.С. Богатырева (1974). Ими установлено, что тип гумуса в среднегумусных обыкновенных черноземах - гуматный с отношением С гк/С фк, равным 1,5-1,8. Степень гумификации органического вещества очень высокая. В составе гуминовых кислот доля подвижной фракции 1 незначительна, а доминируют гуматы кальция (75-85% от суммы гуминовых кислот). Поселение древесной растительности на черноземных почвах, согласно мнению П.Г. Адерихина и З.С. Богатыревой, не изменяя основных типовых черт гумуса, вызывает появление некоторых особенностей в его качественном составе. Сравнивая относительное содержание гуминовых кислот под различными угодьями, авторы отмечают, что 70-летнее произрастание древесной растительности на обыкновенных черноземах увеличило долю гуминовых кислот в верхнем 10-сантиметровом слое гумусового горизонта по сравнению с залежной почвой. Степень изменения зависит от состава, ширины лесополосы, возраста насаждений. В пахотной почве относительное участие гуминовых кислот в составе гумуса меньше, чем в почве под лесными полосами, но больше, чем в залежной. Особенность гумусообразования под лесными полосами различного состава отчетливо проявляется в повышенном содержании подвижных гуминовых кислот по сравнению с таковыми пахотных и залежных почв.
А.Б. Ахтырцев (1988) не обнаружил существенного различия в групповом и фракционном составе гумуса подкурганных и современных лугово-черноземных почв Каменной Степи.
Б.П. Ахтырцев (1992) достоверно установленными считает лишь следующие изменения гумусового состояния, отмечаемые в черноземах Каменной Степи под воздействием лесных насаждений. Под влиянием лесных полос в распахивавшихся ранее почвах фиксируется некоторое увеличение содержания гумуса, но лишь в верхнем слое 0-10(15) см, соприкасающемся с лесной подстилкой. Глубже содержание гумуса остается без изменений. В составе гумуса увеличивается количество подвижных гуминовых кислот, образующихся при гумификации лесной подстилки и корневых остатков.
В последние годы намечается повышенный интерес к изучению гумусового состояния черноземов Каменной Степи и преобразования качественного состава, а также природы гумусовых веществ в условиях антропогенеза (Брехова с соавт., 2006; Зборишук, 2007; Зборищук с соавт., 2007; Ку-зелев с соавт., 2007; Кузелев, 2008).
Исследование гумусового состояния черноземов Каменной Степи, проведенное Зборищуком с соавт. (2007), позволило сформулировать следующие основные выводы:
1. Гор. А обыкновенного чернозема некосимой степи содержит наибольшее количество гумуса и превышает по этому показателю черноземные почвы под пашней и лесополосами.
2. В большинстве исследованных почв тип гумуса - гуматный, а в составе гуминовых кислот преобладает фракция, связанная с кальцием, что обусловлено увеличением карбонатности почв с глубиной. Среди фракций фульвокислот преобладают практически во всех почвенных разрезах ФК 1 и ФК 2.
3. В черноземе под 100-летним лесонасаждением доля гуминовых кислот выше, чем на некосимой залежи и пашне. Особенностью состава гумуса черноземов под лссо насаждсниями является повышенное содержание подвижных гуминовых кислот и относительно невысокая доля гумина.
4. Изучение амфифильных свойств гумусовых веществ черноземов с морфологическими признаками гидроморфности в большинстве случаев подтвердило наличие этих признаков.
5. По результатам анализа легкоразлагаемых органических веществ по методу Н.Ф. Ганжары, Б.А. Борисова (1997) в почвах с морфологическими и аналитическими признаками гидроморфности в гумусовом горизонте увеличивается доля лабильных органических веществ (% от содержания гумуса).
М.М. Кузелев (2008) считает, что распашка и интенсивное использование обыкновенных черноземов Каменной Степи активизируют процессы минерализации, в результате которых теряется до 30% гумуса от его исходного содержания и, в первую очередь, за счет легкоразлагаемых компонентов органического вещества. Потеря лабильных фракций органического вещества сопровождается увеличением гуматности гумуса и роли инертных компонентов в его составе.
В изложенных работах сопоставление данных качественного состава гумуса между вариантами с различными системами использования черноземов Каменной Степи проводилось в пространстве. Априори предполагалось, что исходное гумусовое состояние на разных вариантах опыта было достаточно близким, т.е. выполняется принцип единства различий. Однако в реальных условиях такое предположение маловероятно.
В связи с этим, для выявления тенденций изменения гумусового состояния обыкновенных черноземов1 Каменной Степи в XX в. было проведено изучение общего содержания и фракционно-группового состава гумуса верхних слоев (0-22 см) двух пахотных черноземов с глубиной вскипания от НС1 30-65 см и >65 см, а также горизонтов 0-10 и 10-21 см двух разрезов в лесополосе 40 с глубиной вскипания от НС1 67-93 и >97 см. Результаты анализов сравнивали с аналогичными данными (по содержанию и составу гумуса), полученными в процессе трехлетних исследований (1949-1952 гг.), проведенных в рамках комплексной экспедиции в Каменную Степь. Последняя была организована Отделением биологических наук АН СССР в связи с пятидесятилетием со времени начала работ В.В. Докучаева по преобразованию природы засушливых степей (Вопросы травопольной системы земледелия, 1953).
Постановка таких исследований весьма актуальна для правильного понимания направленности процесса гумусообразования, а срок, истекший со времени последнего изучения, позволяет надеяться на возможность проявления изменений в содержании и составе органического вещества (гумуса), отличающегося, как известно, большой консервативностью. Это характеризует новизну полученных результатов.
С целью обеспечения максимально возможного приближения к условиям анализа образцов более чем 50-летней давности, для определения состава гумуса использовали ту же (довольно громоздкую и трудоемкую, но принципиально необходимую с точки зрения сравнимости результатов) схему И.В. Тюрина, описанную в статье М.М. Кононовой и Н.П. Бельчиковой (1953). В связи с невозможностью точной привязки к прежним разрезам, анализировали смешанные образцы, отобранные летом 2006 г., из максимально приближенных к ним точкам (Хитров, 2007). Смешанные образцы составлены для почв пашни из 6-14 индивидуальных проб, для почв лесной полосы - из 9-11 проб.
Сопоставление и анализ полученных данных (таблица) позволяют сделать следующие выводы. В пахотном слое обоих черноземов произошло уменьшение содержания общего органического углерода, причем в почве с более высокой линией вскипания на 0,41%, что приблизило ее к сильно выпаханному обыкновенному чернозему (Кононова, Бельчикова, 1953), в почве с пониженной линией вскипания на 0,14% от массы почвы. В верхнем слое лесополосы 40 отмечено увеличение содержания общего С орг, в почве с линией вскипания 67-93 см на 0,49%, а в почве с более низкой линией вскипания на 0,90% С орг. В слое 10-21 см первой почвы лесополосы произошло уменьшение содержания С орг на 0,41%, в том же слое второй почвы оно осталось без изменений.
1 Название почв сохранено согласно Кононовой, Бельчиковой (1953).
Исследование фракционно-группового состава гумуса изученных почв позволяет охарактеризовать его чертами, присущими черноземным почвам, а именно, преимущественным содержанием гуминовых кислот, связанных с кальцием, и преобладанием гуминовых кислот над фульвокисло-тами. Вместе с тем, в групповом составе гумуса почв наметились отличия по сравнению с данными Кононовой, Бельчиковой (1953). Так, в обеих пахотных почвах абсолютно и относительно возросло количество ГК (с 1,7-1,9 до 2,3-2,6% от массы почвы или от 37-40 до 52-56% от Сорг), абсолютно и относительно уменьшилось количество ФК (с 0,83-0,94 до 0,49-0,50% от массы почвы или от 18-20 до 11% от С орг). Это привело к увеличению отношения С гк/С фк с 2,1 до 4,6-5,2. Отмечено также некоторое увеличение содержания негидролизуемого остатка (с 33-35 до 38-44% от С орг).
В составе гумуса верхнего слоя обеих почв лесополосы отмечена одна и та же тенденция: некоторое абсолютное и относительное увеличение суммы ГК (с 2,9 до 3,3-3,5% от массы почвы или с 44 до 46-47% от С орг) при практически неизменившемся содержании ФК, что обусловило небольшое увеличение отношения С гк/С фк с 2,4 до 2,7-3,0. В обоих случаях происходит весьма существенное увеличение содержания негидролизуемого остатка (с 1,8 до 3,1-3,3% от массы почвы или с 28 до 45% от С орг). В слое 10-21 см обеих почв под лесополосой отмечено небольшое увеличение суммы ГК и уменьшение суммы ФК, что вызвало увеличение отношения С гк/С фк с 3,0 до 3,8-4,5. В этом слое так же, как и в верхнем, произошло увеличение содержания негидролизуемого остатка (с 27 до 38-41% от С орг). Во всех образцах почв лесополосы наименьшим колебаниям подвергались органические вещества декальцината (1,9-3,2% от С орг).
Подведем краткие итоги выполненной работы. За более чем 50 лет использования под пашню в пахотном слое изученных обыкновенных черноземов произошло уменьшение содержания гумуса на 0,24-0,71% от массы почвы. В составе гумуса пахотных почв, сохраняющем черты, присущие черноземным почвам, абсолютно (% С от массы почвы) и относительно (% С орг почвы) уменьшается количество фульвокислот, а содержание гуминовых кислот абсолютно и относительно увеличивается, что приводит к существенному увеличению отношения С гк/С фк. Уменьшение содержания гумуса происходит за счет наиболее подвижной (лабильной) его части, в основном фульвокислот фракции 1 и некоторого количества органических веществ декальцината.
В почвах лесополосы существенное увеличение содержания гумуса в слое 0-10 см (0,89% от массы почвы), несомненно, связано с обильным
Содержание и состав гумусовых веществ пахотных почв и почв лесополосы Каменной Степи (над чертой - % от массы почвы; под чертой - % от содержания органического углерода почвы)_
Горизонт, год отбора
Глубина, см
С орг, % от массы почвы
Гумус, Сх 1,724
Вещества, извлекаемые при декальци-ровании
ГК
1
2 I
ФК
1
2
I
Сгк С фк
С остатка
I извлеченных веществ
А пах, тв*> 30 см, 2006 То же, 1951** А пах, тв> 65 см, 2006 То же,
1951**
А1', тв* 6793 см, 2006 То же,
1951**
А1'' тв 6793 см, 2006 То же, 1951
Пашня
0-22 0-22 0-22 0-22
0-10 0-10 10-21 10-21
4,38 4,79 4,54 4,68
7,07 6,58 5,38 5,79
7,55 8,26 7,83 8,07
12,19 11,30 9,28 9,98
0,08 1,83 0,10 2,1 0,10 2,20 0,32 6,8
0,23** 3,25 0,23 3,5 0,12 2,23 0,11 1,9
2,12 48,40 1,50 31,3 2,39 52,64 1,60 34,2
0,18 4,11 0,44 9,2 0,17 3,74 0,12 2,6
Лесополоса
2,99 42,29 2,50 38,0 2,72 50,56 2,56 44,2
0,31 4,38 0,41 6,2 0,21 3,90 0,38 6,6
2,30 52,51 1,94 40,5 2,56 56,39 1,72 36,8 40 3,30 46,68 2,91 44,2
2.93 54,46
2.94 50,8
0,42 9,59 0,80
16.7 0,44 9,69 0,73 15,6
0,92 13,01 1,04
15.8 0,57 10,59 0,90 15,5
0,08 1,83 0,14
2.9 0,05
1.10 0,10 2,1
0,17 2,40 0,15
2.3 0,08 1,49 0,08
1.4
0,50 11,42 0,94
19.6 0,49 10,79 0,83
17.7
1,09 15,41 1,19 18,1 0,65
12.08 0,98 16,9
4,6 2,1 5,2 2,1
3,0
2.4
4.5
3,0
1,96 43,61 1,60 33,4 1,71 37,67 1,63 34,8
3,09 43,71 1,82
27.7 2,07 38,48 1,55
26.8
28
65,76 Не опр.
3,15 69,38 Не опр.
4,62 65,35 Не опр.
3,70 68,77 Не опр.
Горизонт, год отбора Глубина, см С орг, % от массы почвы Гумус, Сх 1,724 Вещества, извлекаемые при декальци-ровании ГК ФК С гк С фк С остатка I извлеченных веществ
1 2 I 1 2 I
А1' тв > 97 0-10 7,48 12,89 0,17 3,16 0,31 3,47 1,12 0,18 1,30 2,7 3,34 4,94
см, 2006 2,27 42,25 4,14 46,39 14,97 2,41 17,38 44,65 66,04
АГ, тв > 97 10-21 5,80 9,99 0,11 2,87 0,24 3,11 0,69 0,13 0,82 3,8 2,37 4,04
см, 2006 1,90 49,48 4,14 53,62 11,90 2,24 14,14 40,86 69,66
тв - точка вскипания. Данные Кононовой, Бельчиковой (1953).
поступлением и превращением лиственного опада. Увеличение содержания гумуса происходит за счет наиболее подвижной первой фракции гу-миновых кислот. Одновременно отмечается весьма существенное увеличение содержания негидролизуемого остатка, что, по-видимому, свидетельствует об усилении связи новообразованных органических веществ с минеральными компонентами почвы.
Снижение содержания гумуса в слое 10-21 см почвы лесополосы с высокой линией вскипания происходит, как и в пахотных черноземах, за счет уменьшения количества первой фракции фульвокислот.
Следует отметить, что, к сожалению, представленные выводы не могут быть строго количественно обоснованы. Причины здесь следующие. М.М. Кононовой и Н.П. Бельчиковой (1953) был применен весьма трудоемкий вариант метода Тюрина, вследствие чего анализы выполнены без повторностей. Для проведения анализа фракционно-группового состава гумуса шести вариантов обыкновенного чернозема Каменной Степи нам в 2007 г. потребовалось более 3 месяцев непрерывной работы. В силу отмеченных причин и в нашем исследовании анализы выполнялись только на единичных образцах.
В заключении, хотелось бы высказать некоторые предложения методического характера, направленные на достоверную и объективную оценку влияния систем использования на трансформацию качественного состава гумуса почв:
1. Метод анализа фракционно-группового состава гумуса почв по Тюрину нуждается во внутри- и межлабораторной метрологической оценке. В случае установления неудовлетворительных метрологических параметров требуется модификация существующих методик.
2. Сопоставление различных вариантов опыта по показателям состава гумуса должно проводиться с учетом их пространственной неоднородности, т.е. даже несмотря на трудоемкость методики (которая нуждается в совершенствовании и упрощении), следует соблюдать хотя бы минимальную пространственную повторность.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Адерихин П.Г., Богатырева З.С. Воздействие защитных лесных насаждений на содержание и состав органического вещества обыкновенных черноземов Каменной Степи//Почвоведение. 1974. №5. С. 43-53.
Ахтырцев А.Б. Состав гумуса лугово-черноземных палеопочв и его изменение при длительном погребении // Научные основы зональных интенсивных систем земледелия. Саранск, 1988.
Ахтырцев Б.П. Почвы и их изменение под влиянием лесных полос // Каменная Степь: лесоаграрные ландшафты. Воронеж: Изд-во ВГУ, 1992. С. 94-115.
Брехова Л.И., Щеглов Д.И., Беляев А.Б., Чепков С.П. Трансформация гумусного состояния чернозема обыкновенного под различными древесными породами // Черноземы России: экологическое состояние и современные почвенные процессы. Мат-лы Всероссийской конф. Воронеж: Изд-во ВГУ, 2006. С. 64-70.
Вопросы травопольной системы земледелия. М.: Изд-во АН СССР, Т. II. 1953. 659 с.
Ганжара Н.Ф., Борисов Б.А. Гумусообразование и агрономическая оценка органического вещества. М.: Изд-во МСХА, 1997.
Дьяконова К.В., Булеева B.C., Когут Б.М. Изменение содержания, состава и природы гумусовых веществ при сельскохозяйственном использовании и интенсивном окультуривании почв // Тез. докл. VI съезда ВОП. Тбилиси, 1981. Кн. 2. С. 33-34.
Зборищук Ю.Н. Особенности гумуса черноземов обыкновенных Каменной Степи//Вест. Моск. ун-та. Сер. 17, почвоведение. 2007. №2. С. 3-8.
Зборищук Ю.Н., Рымарь В.Г., Чевердин Ю.Н. Состояние черноземов обыкновенных Каменной Степи. М., 2007. 160 с.
Когут Б.М. Изменение содержания, состава и природы гумусовых веществ при сельскохозяйственном использовании типичного мощного чернозема: Автореф. дис. ... к.с.-х. н., М., 1982. 24 с.
Кононова М.М., Панкова H.A., Бельчикова Н.П. Изменения в содержании и составе органического вещества при окультуривании почв // Почвоведение. 1949. №1. С. 28-37.
Кононова М.М., Бельчикова Н.П. Процессы превращения органических веществ в обыкновенном черноземе при применении комплекса Доку-чаева-Костычева-Вильямса // Вопросы травопольной системы земледелия. М.: Изд-во АН СССР, 1953. Т.П. С. 303-360.
Кузелев М.М., Мамонтов В.Г., Сюняев И.К, Свиридов А.К, Черенков
B.В. Гумусовое состояние обыкновенных черноземов естественно-антропогенного ландшафта Каменной Степи // Изв. ТСХА. Вып. 3. 2007.
C. 38-46.
Кузелев М.М. Трансформация соединений органического углерода и фосфора обыкновенных черноземов Каменной Степи под влиянием антропогенеза: Автореф. дис. ... к.б.н. М., 2008. 19 с.
Хитрое Н.Б. Методический подход к ретроспективному мониторингу почв Каменной Степи // Каменная Степь: проблемы изучения почвенного покрова. М.: Почв, ин-т им. В.В. Докучаева, 2007. С. 7-35.
Шевцова Л.К, Сизова Д.М. Влияние длительного применения удобрений на органическое вещество и соединения азота черноземных почв // Агрохимия. 1970. №10. С. 8-16.
