CC BY
163
УДК 631.41
АГРОЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ПОЧВ ТУВЫ
В.И. Савич, д.б.н., В.Н. Жуланова, к.б.н., Ж. Норовсурэн, д.б.н., Д.С. Скрябина
РГАУМСХА им. К.А. Тимирязева, e-mail: savich.mail@gmail.ru, Тувинский государственный университет Институт биологии АН Монголии
Проведена агроэкологическая оценка почв Тувы за 1970-2010 гг. Установлен тренд изменения агрохимических свойств, биопродуктивности, обусловленный изменением факторов почвообразования и антропогенного воздействия. Показано, что деградация почв определяется дигрессией, уменьшением доз удобрений и развитием ветровой эрозии. Выяснена роль гумусированности почв, биопродуктивности угодий и урожайности сельскохозяйственных культур в депонирующей способности почв к СО2.
Ключевые слова: плодородие почв, мониторинг, каштановые почвы, депонирующая способность почв к СО2.
AGROECOLOGICAL SOIL ASSESSMENT IN TUVA REPUBLIC V.I. Savich, V.N. Zhulanova, Zh. Norovsuren, D.S. Skryabina
There was carried out an agroecological soil assessment in the Tuva republic in 1970-2010years. There were established agrochemical characteristics' and bioproductivity' change trend conditioned by changes of soil formation factors and anthropogenic impact. It is shown that soil degradation is formed through degression, fertilizers dozes reduction and development of wind erosion. There was revealed the role of humus content in soil, holdings bioproductivity and the yield of cultures in soil depository capability to CO2.
Keywords: soil fertility, monitoring, maroon soils, soil depository capability to CO2.
Изучение почв Тувы имеет большое народнохозяйственное и экологическое значение. При достаточно высоком потенциальном плодородии черноземов, темно-каштановых и каштановых почв низкие урожаи сельскохозяйственных культур требуют поиска и разработки мероприятий по повышению эффективности ведения сельскохозяйственного производства. Большая доля лесных угодий, лугов, сенокосов и пастбищ в республике обусловливает значительную депонирующую способность территории к СО2, что имеет глобальное экологическое значение. Однако распашка угодий приводит к существенному изменению баланса СО2 в системе «почва - растение - окружающая среда». Это требует углубления оценки изменения статей баланса в системе «почва - растение» при антропогенном воздействии с целью разработки мероприятий по оптимизации обстановки.
Объектом исследований выбраны почвы равнинных территорий Тувы.
Методика исследований состояла в обобщении данных по крупномасштабному картированию почв Тувы почвенно-геоботанической экспедицией РГАУ-МСХА им. К.А. Тимирязева. При проведении исследований были также определены агрохимические, физико-химические свойства почв и их валовой состав, дана углубленная оценка гумусового состояния почв на стационарных площадках, оценены водно-физические свойства, биологическая активность, продукционно-деструкционные процессы, оценена динамика свойств почв биопродуктивности, баланса СО2 за 1970-2010 гг. [1-4]. Принятый уровень вероятности Р = 0,95.
Для каждой почвенно-климатической зоны существуют модели плодородия, которые определяют потенциально возможный, экономически и экологически обоснованный урожай сельскохозяйственных культур. При этом под моделью плодородия почв подразумевается сочетание свойств, процессов и режимов для достиже-
ния максимальной биопродуктивности угодий, оправданной с экологической и экономической точек зрения. [5] Для соответствующей территории модель плодородия почв подразумевает и оптимальный баланс СО2 в системе «почва - растение - окружающая среда».
По содержанию агрономически ценных фракций в слое 0-20 см почвы Тувы выстраиваются в следующий убывающий ряд: чернозем обыкновенный (66%) > чернозем южный (61%) > темно-каштановая (55%) > луго-во-каштановая (50%) > каштановая (37%) > светло-каштановая (36%) > аллювиальная дерновая (33%). Содержание водопрочных агрегатов в верхнем слое почв указывают на хорошее структурное состояние черноземов обыкновенных и южных (62-45%), удовлетворительное (32-38%) - темно-каштановых и лугово-каштановых, неудовлетворительное (21-27%) - каштановых, светло-каштановых, аллювиальных дерновых.
В гумусе пахотных почв региона преобладает стабильная фракция. Доля подвижных органических соединений в составе СГУМУСА изменяется от 32-33% в черноземах обыкновенных и южных до 20-22% в каштановых и аллювиальных дерновых. Супесчаные разновидности всех почв характеризуются в 2 раза меньшим количеством подвижных гумусовых соединений, чем суглинистые. В составе подвижного гумуса доминируют вещества, гидролизуемые 0,1 н. №ОИ. Водорастворимых продуктов не более 3,5% от СГУМУСА. Отношение СГК:СФК расширяется в почвах, обедненных подвижным гумусом.
Каштановые почвы Тувы обладают провинциальными особенностями - каменистостью, легким гранулометрическим составом, маломощностью, часто мучнистым выделением карбонатов, отсутствием многолетней мерзлоты, отсутствием на водоразделах и склонах засоленности и солонцеватости. В более легких почвах меньше возобновляющаяся способность почв. То есть
при одинаковом содержании фосфора и калия в легких и тяжелых почвах, в последних запасы указанных элементов в твердой фазе почв выше, т.е. выше и потенциальное плодородие почв. Более легкие почвы обладают и меньшей буферной емкостью. Это приводит к меньшему поглощению ими продуктов трансформации растительных остатков и к меньшему депонированию углерода и СО2. В то же время почвы более легкого гранулометрического состава более теплые, с лучшей аэрацией, более скелетные. В них выше водопроницаемость, но ниже запасы влаги. С нашей точки зрения, отличие по свойствам более легких и более тяжелых почв зависит от гидротермических условий территории и степени континен-тальности. С увеличением степени континентальности климата отличия возрастают. Так, емкость поглощения почв супесчаной разновидности чернозема составляет 28 мг-экв/100 г, в легкосуглинистой - 42 мг-экв/100 г. Содержание общего азота в темно-каштановых легко- и среднесуглинистых почвах составляет 0,52%, в супесчаных - 0,14%.
В разных интервалах свойств почв взаимосвязи между ними меняются как по вектору, так и по величине [6]. Структурные взаимосвязи между свойствами почв служат необходимыми дополнительными параметрами оценки почвенных типов. Так, при оценке изменения свойств каштановых почв по степени эродированности с использованием кодированных переменных (Эь Э2; Э3) получено следующее уравнение:
У = 3,56 - 0,13Х! + 0,06Х2 - 27,26Х3 + 8,97Х4 + 0,002Х5 - 1,2Х6 + 0,14Х7, где Х1 - содержание частиц <0,001 мм; Х2 - содержание гумуса, %; Х3 - содержание азота, %; Х4 - валовое содержание Р2О5; Х5 - содержание подвижных форм Р2О5; Х6 - валовое содержание К2О; Х7 - содержание подвижных форм К2О, г = 0,95.
Как видно из представленных данных, ветровая эрозия почв уменьшалась при утяжелении гранулометрического состава, увеличении содержания азота и валового содержания калия. При вычислении парных корреляций установлено, что содержание гумуса зависит от содержания глинистых частиц: У = 0,57Х0,7, г = 0,7.
Содержание подвижных форм фосфора зависело от содержания илистых частиц (Х1), гумуса (Х2), валового содержания подвижных фосфатов (Х4): У = 3,02 + 0,81Х] - 0,53Х2 + 107,4Х4; г = 0,95; содержание подвижного калия зависит от илистой фракции, содержания гумуса, валового содержания калия (Х6): У = - 0,8 + 1,02Х] -0,28Х2 + 7,67Х6.
При оценке взаимосвязей между свойствами каштановых почв установлено, что более тесные взаимосвязи отмечались между рН, содержанием гумуса, емкостью поглощения и подвижными формами фосфора и калия в темно-каштановых почвах, чем в каштановых и светло-каштановых: Г = 5,8 + 0,21Р205 - 0,007К20 - 0,74рН + 0,1Е; г = 0,88; Б = 2,6.
В темно-каштановых почвах отмечались и более значимые зависимости, оцениваемые методом парных корреляций. Так, зависимость емкости поглощения от содержания гумуса описывалась уравнениями: У = 8,8 + 5,3Х, г = 0,63; Б = 3,3 У = 1/(0,07 - 0,008Х), г = 0,70; Б = 3,4.
Зависимость содержания К2О от содержания гумуса представлена уравнениями:
У = 9,4 + 3,6Х; г = 0,32; Б = 5,5, У = 1/(0,09 - 0,01Х); г = 0,32, Б = 5,7.
В каштановых почвах Е = 3,3 + 7,6Г; г = 0,43, Б = 7,6. В светло-каштановых Е = 9,5 + 6,8Г; г = 0,26; Б = 5,6. Остальные изучаемые взаимосвязи были менее значимы или при низких значениях Б.
Согласно проведенным исследованиям, свойства отдельных почвенных типов находятся в лимитах перекрывающих друг друга и ни одно свойство почв не может однозначно характеризовать почвенный тип. Так, в темно-каштановых, каштановых и светло-каштановых почвах варьирование содержания подвижных форм Р2О5 составляет соответственно 5,7-1,2 мг/100 г; 3,7-0,7; 2,90,5; варьирование содержания обменного калия - 29,812,1; 22,7-10,4 и 23,8-5,3 мг/100 г. В разных подтипах каштановых почв перекрываются и показатели физико-химических свойств. В темно-каштановых рНН20 колеблется в пределах 8,0-7,0; в каштановых 8,3-7,0 и в светло-каштановых 8,5-6,8. Варьирование содержания суммы поглощенных оснований составляет соответственно 34,2-20,4 мг-экв/100 г; 33,1-12,0 и 25,9-12,0 мг-экв/100 г; варьирование содержания гумуса - 4,1-2,7%; 2,6-1,2 и 1,7-1,4%.
Для оценки принадлежности к определенному почвенному типу необходимо учитывать совокупность свойств почв, их взаимосвязи, изменение свойств почв и взаимосвязей по почвенному профилю. Необходима также характеристика типа почв по совокупности признаков и взаимосвязей.
У2 = ВДТь
где У! - показатель отдельных свойств почв, к1 - доля влияния У1 на формирование типа почв. Для оценки принадлежности почв к определенному типу предложено использовать метод Верда и структурные взаимосвязи между свойствами почв и их изменение по профилю.
Математическая оценка изменения свойств почв по профилю уточняет принадлежность отдельных разрезов к определенным почвенным типам. Установлено, что изменение илистой фракции с глубиной отличается для черноземов и каштановых почв разного гранулометрического состава и степени гидроморфности. Для черноземов среднесуглинистых (У = 12,3 - 0,09Х; г = -0,90); для светло-каштановых супесчаных почв (У = 3,19 + 0,10Х; г = 0,89), для черноземов легкосуглинистых (У = 5,33 + 0,169Х; г = 0,89), для каштановых среднесуглинистых гидрометаморфизированных почв (У = 11,78 -0,09Х; г = -0,89). Как видно из представленных данных, в легких почвах с глубиной отмечается утяжеление гранулометрического состава, очевидно, в связи с развитием ветровой эрозии.
Большее изменение гумуса с глубиной было характерно для легкосуглинистого чернозема: У = 6,7 - 0,14Х. У этой почвы было и большее убывание с глубиной емкости поглощения: У = 39,4 - 0,64Х; подвижных фосфатов: У = 30,5 - 0,61Х, подвижных форм калия: У = 255 -3,96Х, при величинах г от -0,79 до -0,97. Низкие величины коэффициентов при независимых переменных по уменьшению с глубиной гумуса и емкости поглощения были характерны для светло-каштановой супесчаной почвы Г = 2,2 - 0,04Х и Е = 14,3 - 0,02Х, г от -0,71 до -0,97. Однако для содержания подвижных форм фосфора и калия такой закономерности не отмечалось.
Почвообразующие породы в ряде случаев в большей степени определяют некоторые свойства почв, чем другие факторы почвообразования и с агрономической точки зрения их необходимо выделять на более высоком иерархическом уровне, чем разряд. Например, супесчаные каштановые почвы на элюво-делювии склонов на южной и северной экспозицииимеют близкое содержание гумуса (в А] 2,6 и 1,0% и ВС, 3,6 и 0,7%), а также рН, равное 7,2 и 8,4, 7,7 и 8,7. В то же время содержание обменного калия сильно уменьшается вниз по профилю и выше на склонах северной экспозиции - 17,0 и 9,0, 45,6 и 22,4 мг/100 г почвы. Влияние почвообразующих пород сказывается и на различии свойств почв в отдельных регионах.
Содержание гумуса минимально в каштановых почвах Тандинского района, максимально в почвах Каа-Хемского и Пий-Хемского районов. Сумма поглощенных оснований максимальна в каштановых почвах Овюрского, Каа-Хемксого, Пий-Хемского районов, минимальна в почвах Тес-Хемского, Дзун-Хемчикского, Тандинского районов. Содержание подвижных форм К2О максимально в каштановых почвах Овюрского, Пий-Хемского районов, минимально в почвах Дзун-Хемчикского районов и Барун-Хемчикского районов.
Эволюция почв идет в направлении установления термодинамического равновесия почв и пород с другими факторами почвообразования. Поэтому тренд изменения пород с разными свойствами при образовании каштановых почв и их эволюции идет в разном направлении. Например, в темно-каштановых почвах на элюво-делювии содержание Са в горизонтах С и Апах. составляет 15,0 и 14,5 мг-экв/100 г, на делюво-пролювии - 20,5 и 23,1 мг-экв/100 г почвы. В то же время содержание обменного калия в этих же горизонтах на элюво-делювии составляет 13,0 и 10,4 мг/100 г, на делюво-пролювии -17,6 и 38,3 мг/100 г почвы.
Формирование определенных совокупностей свойств почв и почвенных типов может быть достигнуто при различном сочетании факторов почвообразования. То есть существует полигенетическая эволюция почв и полигенетическое формирование почвенных типов.
Следует отметить полигенетическое образование почв Тувы. Каштановые почвы в отдельных районах образовались при сочетании существующих факторов почвообразования, в других районах возникали в результате аридизации территории при эволюции из луго-во-каштановых, а в ряде районов - при деградации темно-каштановых и в отдельных случаях при усилении развития дернового процесса почвообразования и светло-каштановых почв.
При оценке влияния факторов почвообразования на формирование почв предлагается уравнение множественной регрессии:
У = ЕкХ
где У1 - свойство почв; Х1 - факторы почвообразования; к1- доля влияния Х1 на У1. При этом факторы почвообразования (порода, рельеф, климат, растительность) служат интегральными показателями более низкого иерархического уровня. Например, климат = Досадки, 1, ФАР, ПБА, скорость ветра и т.д.)
Депонирующая способность почв Тувы к СО2 имеет глобальное экологическое значение. С одной стороны, почвы сами поглощают СО2, с другой, они поглощают
продукты трансформации органических остатков, превращая их в гумус. Последний процесс усиливается при увеличении до оптимальных значений поглотительной способности почв и увеличении периода поглотительной способности почв. Это определяет альтернативные пути регулирования баланса С и СО2 в рассматриваемой системе.
С нашей точки зрения, интенсивность выделения почвами СО2 и интенсивность депонирования почвами углерода и СО2 должна характеризоваться несколькими взаимодополняющими показателями: 1) емкостью поглощения и общим количеством выделения за вегетационный период или период ПБА; 2) интенсивностью выделения и поглощения в единицу времени; 3) закономерным изменением поглощения и выделения во времени и в пространстве (по почвам и в структуре почвенного покрова). Подобный подход перспективно принять и при оценке обеспеченности почв элементами питания.
Почвы Тувы обладают депонирующей способностью к СО2, что важно для экологической оценки почв. Депонирующая способность почв к СО2 возрастает при интенсификации дернового процесса почвообразования, секвестирующая способность территорий и СО2 возрастает при увеличении покрытия почв травостоем, с введением промежуточных культур и под лесами. Установлены лимиты баланса С, СО2 в почвах и агроценозах Тувы. Легкоминерализуемое органическое вещество мертвых растительных остатков за 1981-2000 гг. депонировало от 85 тыс. т С в сухостепи, 287 тыс. т С в степи до 116 тыс. т С в лесостепи, а за 2001-2010 гг. соответственно 14, 15 и 41 тыс. т С. Больше всего растительных остатков в агроценозах зерновых культур, однолетних и многолетних трав, меньше всего - в агроценозах овощных и картофеля. Легкоминерализуемое органическое вещество в форме подвижных гумусовых соединений за 1981-2000 гг. в лесостепи аккумулировало 727 тыс. т С, в степи - 1842 тыс. т С и 344 тыс. т С в сухостепи, а за 2001-2010 гг. соответственно 295, 114 и 68 тыс. т С. Среди них преобладают щелочерастворимые гумусовые вещества.
За1981-2000 гг. почвенный покров пашни Тувы аккумулировал 11647 тыс. т С, а за 2001-2010 гг. - 1919 тыс. т С, из которых 29% приходится на легкоминерали-зуемое органическое вещество в форме лабильных и подвижных веществ и 71% на стабильный гумус.
Содержание в почвах органического вещества коррелирует с биопродуктивностью угодий. По полученным нами данным, органическое вещество почвы за период 1981-2000 гг. депонировано около 11,6 млн. т углерода, а в 2001-2010 гг. - 1,9 млн. т, из которых 29% находится в легкоминерализуемой фракции (лабильные и подвижные продукты) и 71% - во фракции стабильного гумуса. Продукцией агроценозов Тувы в 1981-2000 гг. ежегодно аккумулировалось 765 тыс. т углерода, а в 2001-2010 гг. - 109 тыс. т. Пул углерода снижается от лесостепи (67,8 т С/га) к сухостепи (25,8 т С/га).
Суммарная аккумуляция углерода в агроценозах Тувы (блоки - «растительность-продукция» и «органическое вещество почвы») в 1981-2000 гг. достигла 12 млн. т, а в 2001-2010 гг. - 2 млн. т. В почвенном органическом веществе находится 94% углерода и 6% в надземной части и подземной фитомассе.
По материалам агрохимического обследования 19852010 гг. изменение свойств почв за длительный промежуток времени сопоставлено с трендом климатических условий; развитием почвообразовательных процессов (дернового, засоления, осолонцевания); процессов деградации почв (водной и ветровой эрозии, загрязнения тяжелыми металлами); уровнем антропогенного воздействия (уменьшением доз внесения удобрений); изменением характера сельскохозяйственного использования почв (переводом площадей из пашни в залежь, сенокосы и пастбища).
В структуре земельного фонда Тувы за 1976-2011 гг. площадь сельскохозяйственных угодий уменьшилась в 2 раза, пашни - почти в 4, сенокосов - в 2 и пастбищ - в 1,7 раза. Особенно сильное сокращение наблюдается в 1995-2005 гг.
Оценка содержания гумуса в почвах на мониторинговых площадках выявила его снижение в начальный период исследования, а далее оно стабилизировалось.
В связи с аридностью климата и недостаточным количеством вносимых удобрений произошло обеднение почв биофильными элементами. Однако в связи с переводом из пашни в залежь наименее плодородных земель, по данным агрохимического обследования почв, пашня имеет более высокое плодородие. Тренд изменения свойств почв коррелирует с трендом внесения удобрений.
Распашка почв Тувы сопровождается увеличением интенсивности развития водной и ветровой эрозии, уменьшением гумусированности, емкости поглощения, содержания подвижных форм фосфора и калия. Так, по полученным нами данным, в темно-каштановых супесчаных почвах илистая фракция на целине колебалась в пределах 1,8-4,2%, содержание гумуса - в интервалах 1,0-1,2%, подвижных форм фосфора и калия соответственно 2,3-2,9 мг и 20-24 мг/100 г. На пашне содержание гумуса колебалось в пределах 0,2-1,1%, 2,2-2,6 мг/100 г, 15-20 мг/100 г почвы. В обыкновенных черноземах на целине в А! содержание илистой фракции < 0,01 мм составляет 30%, гумуса - 6,5%, емкость поглощения - 35,9 мг-экв/100 г почвы, содержание подвижных форм Р2О5 и К2О - 7,8 мг/100 г и 27,5 мг/100 г, а на старой пашне показатели были соответственно равны 20%; 5%; 31,8 мг-экв/100 г; 6,2 и 23,0 мг/100 г почвы.
При переводе почв в залежь протекают два противоположно направленных процесса. С одной стороны, почвы переходят при окультуривании на более высокий
энергетический уровень, а при прекращении уже принятого уровня антропогенного воздействия скорее деградируют. С другой стороны, при залужении неокульту-ренных и эродированных почв характерно некоторое увеличение степени их увлажнения, гумусированности и, как следствие, биопродуктивности, содержания подвижных форм биофильных элементов. В связи с тем, что в почвы госзапаса переводили худшие почвы, содержание NPK в почвах Тувы в среднем возросло.
Таким образом, используемые в сельскохозяйственном производстве каштановые и черноземные почвы Тувы отличаются от почв других почвенных провинций легким гранулометрическим составом, маломощностью, каменистостью и щебнистостью, малой буферной емкостью и способностью к восстановлению концентрации ионов в почвенном растворе при их отчуждении с урожаем. Уменьшение доз удобрений привело к падению биопродуктивности, плодородия, к развитию ветровой эрозии, переводу земель из пашни в залежь. Учитывая большие площади лесов, лугов, пастбищ в Туве, можно сказать, что территория обладает депонирующей способностью к СО2 по сравнению с другими регионами.
Литература
1. Жуланова В.Н., Чупрова В.В. Агропочвы Тувы: свойства и особенности функционирования. -Красноярск: Изд-во КрасГАУ, 2010. - 155 с.
2. Базилевич Н.И., Титлянова А.А. Биотический круговорот на пяти континентах: азот и зольные элементы в природных наземных экосистемах / отв. ред. А.А. Тишков. - Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2008. -381 с.
3. Востров И.С., Петрова А.Н. Определение биологической активности почвы различными методами // Микробиология, 1961, т. 30, № 4. - С. 665-669.
4. Титлянова А.А. Первичная продукция и запасы гумуса в экосистемах // Проблемы почвоведения в Сибири. - Новосибирск: Наука, Сиб. отд., 1990. - С. 4753.
5. Савич В.И., Булгаков Д.С. и др. Интегральная оценка плодородия почв. - М.: РГАУ-МСХА им. К.А. Тимирязева, 2010. - 347 с.
6. Духанин Ю.А., Савич В.И., Батанов Б.Н., Савич К.В. Информационная оценка плодородия почв. - М.: Росинфорагротех, 2006. - 467 с.
