CC BY
105
УДК 631.445.41:631.445.42:631.95
Саблина О.А.
Орский гуманитарно-технологический институт (филиал) Оренбургского государственного университета E-mail: [email protected]
АГРОГЕННАЯ ТРАНСФОРМАЦИЯ ГУМУСНОГО СОСТОЯНИЯ ЮЖНЫХ ЧЕРНОЗЕМОВ СТЕПНОГО ЗАУРАЛЬЯ
Исследовано экологическое состояние черноземов южных в различных сельскохозяйственных угодьях Оренбургского степного Зауралья. Установлено, что наибольшие потери органического вещества наблюдаются в почвах пашни и залежи. В почвах кормовых угодий снижение содержания и запасов гумуса незначительно. Основной причиной дегумификации агропочв можно считать сокращение запасов подземной фитомассы. Надежным индикатором степени агроген-ной трансформации гумусного состояния черноземов Оренбургского Зауралья является интенсивность продуцирования углекислого газа.
Ключевые слова: агроценоз, биологическая активность, гумус, чернозем, целина, пашня, сенокос, пастбище, залежь.
Введение
Один из основателей современной экологии почв Е. Д. Никитин отмечает, что возрастающее антропогенное воздействие на почвенные системы является универсальной тенденцией и должно постоянно анализироваться в спектре факторов педогенеза [5], в связи с чем работы, направленные на изучение техногенной и агро-генной трансформации почв, не теряют своей актуальности уже более двух десятилетий.
Особенностью сельскохозяйственной эксплуатации почв является то, что основное антропогенное воздействие испытывает верхний, наиболее плодородный слой, однако длительность и масштабность процесса аграрного использования почв может приводить к полной или частичной потере ими своих генетических свойств и возможности выполнять биоценоти-ческие и биосферные функции. При рассмотрении вопроса агрогенной эволюции почв несомненно нужно учитывать тип сельскохозяйственных угодий и связанный с ними доминирующий фактор деградации почв: механическая обработка (на пашне), вытаптывание (на пастбище), отчуждение растительной массы (на сенокосе) и т. д.
Mетодами сравнительно-генетического анализа рядов целинных и пахотных почв [2], [3], [4], [8] установлено, что механическое воздействие на почву сельскохозяйственных орудий приводит к коренной перестройке всей почвенной системы. В то же время, следует ожидать, что другие типы землепользования, например, пастбищное или сенокосное, также способны заметно повлиять на такие свойства почв
как биологическая активность, содержание органического вещества или параметры экосистемы в целом, например, такие как биопродуктивность, структура и тип растительности.
Если основные направления и результаты антропогенной эволюции черноземов под влиянием пахотного и пастбищного использования исследованы весьма полно и подробно [2], [8], [12], то воздействие на почвы этого типа, например, сенокошения, изучено в меньшей степени. Имеются также диспропорции в количестве научных работ, посвященных данной тематике в отношении черноземов разных подтипов и разной географической приуроченности. Так, лучше исследовано гумусное состояние обыкновенных и типичных черноземов, чем, например, южных. Что касается почв Уральского региона, то более полно изучены степные черноземы Предуралья, чем Зауралья, особенно на территории Оренбургской области [8].
Соответствующие почвенные подзоны в Зауралье по сравнению с Предуральем смещены к северу вследствие большей засушливости климата: отроги гор Южного Урала препятствуют проникновению на эту территорию влажных воздушных масс, идущих с Атлантики. В связи с этим доминирующим подтипом черноземов в Оренбургском Зауралье является чернозем южный; представленность черноземов обыкновенных в почвенном покрове востока области весьма незначительна. По этой причине агрогенная трансформация гумусного состояния черноземов степного Зауралья рассмотрена на примере наиболее южного подтипа.
Материалы и методы исследования
Объектами исследования, проводившегося в течение вегетационного периода 2014 года, послужили черноземы южные карбонатные малогумусные маломощные тяжелосуглинистые, расположенные в различных сельскохозяйственных угодьях (пашня под яровыми зерновыми, естественный сенокос, среднесбитое пастбище, многолетняя залежь) Гайского района Оренбургской области. Исследуемые участки располагались на выровненных водоразделах в типичных для изучаемой почвенной подзоны биоклиматических условиях. Для оценки воздействия агрогенного фактора свойства изучаемых почв сопоставлялись с аналогичными показателями для условно целинной почвы, небольшой участок которой более 20 лет не подвергался сенокосу и выпасу, и на котором сохранилась типичная для данной почвенной подзоны растительная ассоциация.
Для геоботанического описания участков исследования закладывались пробные площадки размером 10 х 10 м, на которых определяли флористический состав, тип растительной ассоциации, среднюю высоту травостоя, общее проективное покрытие [6]. На площадках размером 1х 1 м производили укос растений для измерения величины надземной фитомассы. В лабораторных условиях скошенную биомассу высушивали при температуре 100-105 оС до постоянной массы и взвешивали. Величину подземной фитомассы определяли путем отбора почвенных монолитов размером 20 х 20 х 20 см. Подземную фитомассу отмывали из монолитов водой на сите с ячейками диаметром 1 мм, высушивали до абсолютно-сухого состояния и взвешивали. Величину надземной, подземной и общей (суммарной) растительной биомассы пересчитывали, выражая в ц/га [7].
Образцы почв для определения химических и биологических свойств отбирались из почвенных разрезов послойно через каждые 10 см до глубины 40 см. Подготовка проб почвы к химическому анализу проводилась по ГОСТ 2626991. Содержание общего гумуса определяли методом мокрого озоления по И.В. Тюрину в модификации ЦИНАО (ГОСТ 26213-91). Интенсивность продуцирования углекислого газа («дыхание почв») определяли адсорбционным методом В.И. Штатнова. Дыхание почв выражали в мг СО2 на 1 кг почвы за 1 час. Актив-
ность каталазы определяли газометрическим методом по количеству кислорода, выделившегося в ходе реакции 3 % раствора пероксида водорода с навеской почвы массой 1 г и 0,5 г карбоната кальция. Показания снимали через 1 мин после контакта почвы с пероксидом водорода; активность каталазы выражали в мл О2 на 1 г почвы за 1 мин [10].
Результаты и обсуждение
Естественные степные ценозы характеризуются особой структурой распределения фитомассы: большая ее часть образуется и разлагается непосредственно в почве, что определяет направленность и интенсивность процессов гу-мусообразования и гумусонакопления в степных черноземах. При сельскохозяйственной эксплуатации коренные растительные ассоциации могут быть значительно преобразованы, что ведет к потере органического вещества почв.
Наибольшая биопродуктивность (табл. 1) отмечается на целинном участке с ковылково-типчаковой растительностью. Это достигается не столько за счет достаточно высоких значений проективного покрытия и высоты травостоя, а следовательно, и надземной фитомассы (51,4 ц/га), сколько за счет корневой биомассы (195,4 ц/га). Отношение подземной фитомассы к надземной на целине составляет 3,8. Мало уступает целинному участку по рассматриваемым параметрам естественный сенокос: здесь запасы подземной фитомассы за счет доминирования растений с развитыми дерновинами и корневищами (Festuca valesiaca, Elytrigia repens) достигают 198,7 ц/га, а отношение корневой фитомассы к листовой и стеблевой - 4,4.
Пастбищный участок при схожих с целинными значениях этого отношения имеет гораздо более низкие запасы подземной фитомассы -166,4 ц/га. Несмотря на доминирование плотно-дерновинных злаков, в растительном покрове этого участка значительную долю занимает и разнотравье: Achillea millefolium, Lynaria vulgaris L, Phlomis tuberosa L., которое замещает чувствительные к вытаптыванию и уплотнению почвы Stipa lessingiana, Bromopsis inermis и т. д.
Участок с многолетней залежью характеризуется преобладанием стержнекорневых растений: Euphorbia seguieriana, Achillea millefolium, Artemisia absinthium, Convolvulus arvensis и др. В связи с этим запасы подземной фитомассы
здесь очень низкие (132,3 ц/га) по сравнению с типчаковыми ассоциациями на целине и кормовых угодьях, а отношение корневой биомассы к надземной падает до 3,1.
Пахотный участок характеризуется полным уничтожением естественной растительности, поэтому запасы и структура распределения фито-массы здесь разительно отличаются от всех других рассматриваемых угодий: запасы общей растительной биомассы ниже чем на целине в 7,6 раза, а отношение подземной фитомассы к надземной очень низкое, не характерное для естественных травянистых сообществ, и составляет 1,6.
Учитывая длительность процесса сельскохозяйственной эксплуатации соответствующих участков, можно предположить, что описанные выше изменения в характере поступления органического вещества сказываются на гумусном состоянии почв. Мощность гумусового горизонта (А+АВ) на целинном участке составляет 38 см (табл. 2), кормовые угодья - сенокос и пастбище - имеют схожие значения данного параметра: 39 см и 38 см соответственно. Участки, ранее подвергавшиеся (залежь) или в данный момент находящиеся в пахотном использовании, имеют несколько укороченный гумусовый профиль: 36 см и 35 см. Таким образом, все исследованные по-
чвы по видовой принадлежности относятся к маломощным.
По содержанию гумуса почвы трех участков (целинного, сенокосного и пастбищного) можно отнести к малогумусным (около 4%), в то время как почвы пашни и залежи ближе к виду слабогумусированных: содержание гумуса в горизонте А составляет не более 4% (3,16% и 3,72% соответственно). Запасы гумуса во всех исследованных почвах низкие (по классификации Л.А. Гришиной и Д.С. Орлова, 1978 [1]), не превышают 100 т/га в слое 0-20 см. При этом наиболее показательна потеря гумуса в пахотных почвах: около 29 т/га за весь период сельскохозяйственного использования. Наиболее резкое падение содержания гумуса отмечается в слое 10-20 см пахотной почвы по сравнению с целинной, поэтому профильное распределение гумуса здесь можно назвать бимодальным с минимумом на глубине плужной подошвы и пиками с поверхности и в подпахотном слое.
Чернозем на кормовых угодьях в целом близок по показателям гумусного состояния к целинной почве и уступает ей незначительно по общему содержанию и запасам гумуса. Почва залежи за более чем десятилетний период частично восстановила свои гумусные свойства и приблизилась к соответствующим показате-
Таблица 1. Геоботаническая характеристика целинного и агрогенно трансформированных участков
Показатели Целина Пашня Сенокос Залежь Пастбище
Растительная ассоциация Ковылково-типчаковая Зерновой агроценоз Пырейно-типчаковая Горько-полынно-молочайная Тонконогово-типчаковая
Общее проективное покрытие, % 65-70 20-25 60-65 45-50 60-65
Средняя высота травостоя, см 30 25 25 30 20
Надземная фитомасса, ц/га 51,4 12,6 45,3 42,5 42,3
Подземная фитомасса, ц/га 195,4 19,8 198,7 132,3 166,4
Общая фитомасса, ц/га 246,8 32,4 244,0 174,8 208,7
Подземная/надземная 3,8 1,6 4,4 3,1 3,9
Таблица 2. Гумусное состояние чернозема южного на исследованных участках
Показатели Целина Пашня Сенокос Залежь Пастбище
Мощность гумусового горизонта (А+АВ), см 38 35 39 36 38
Содержание гумуса, % 0-10 см 4,89 3,95 4,66 4,01 4,99
10-20 см 4,04 2,37 3,54 3,43 3,43
20-30 см 3,52 2,46 3,32 3,28 3,66
Запас гумуса в слое 0-20 см, т/га 95,04 65,97 81,07 84,36 90,00
Профильное распределение гумуса Постепенно убывающее Бимодальное Постепенно убывающее Постепенно убывающее Постепенно убывающее
лям черноземов под естественной степной растительностью, хотя и не достигла их.
Таким образом, значительное ухудшение гумусного состояния почв сельскохозяйственных угодий наблюдается только в случае непосредственного механического воздействия на верхние горизонты, то есть вспашки. Ряд авторов высказывают точку зрения, что основными причинами дегумификации пахотных почв является не только сведение естественной растительности и отчуждение органического вещества с урожаем, но и непосредственная минерализация гумуса вследствие усиления активности оксидо-редуктаз как способа мобилизации имеющихся пищевых ресурсов для обеспечения жизнедеятельности почвенной микробиоты [11], [12].
В предыдущих работах [9] было показано, что в пахотных почвах степного Зауралья наблюдается снижение активности процессов, субстратом для которых служит свежий растительный опад (дыхание почв, разложение целлюлозы), и повышение активности оксидоре-дуктаз (пероксидазы и каталазы), прямо или косвенно участвующих в трансформации гумуса. В связи с этим интересно проследить, сохраняются ли выявленные тенденции и на других участках, находящихся в сельскохозяйственном использовании.
Данные таблицы 3 свидетельствуют о том, что активность каталазы является наименьшей на целинном участке (в среднем 12,5 мл О2/мин в слое 0-30 см). На пахотном участке этот показатель составляет 13,6 мл О2/мин; на сенокосе -14,7 мл О2/мин; на пастбище - 14,4 мл О2/мин; максимальное значение рассматриваемого параметра наблюдается на залежи - 15,2 мл О2/мин в слое 0-30 см. Таким образом, активность ката-лазы не отражает интенсивность сельскохозяйственной эксплуатации южных черноземов, и кроме того, слабо коррелирует с содержанием гумуса на различных угодьях.
Интенсивность продуцирования углекислого газа («дыхание почв»), напротив, имеет достаточно высокий (0,79) коэффициент корреляции с содержанием гумуса. Этот показатель хорошо отражает как объемы поступления растительной биомассы, так и степень антропогенной трансформации почв. На целине рассматриваемый параметр составляет 7,03-8,01 мг СО2/кг-час (7,53 в слое 0-30 см). На сельскохозяйственных угодьях интенсивность продуцирования углекис-
Таблица 3. Биологическая активность чернозема южного на исследованных участках
Вид угодий Слой почвы, см Активность каталазы, мл 02/мин Продуцирование СО2, мг/кг-час
Целина 0-10 13,1 8,01
10-20 12,1 7,56
20-30 12,4 7,03
Пашня 0-10 12,7 6,25
10-20 13,9 5,43
20-30 14,2 5,39
Сенокос 0-10 15,6 8,27
10-20 14,7 7,96
20-30 13,8 6,98
Залежь 0-10 15,0 7,64
10-20 15,1 6,85
20-30 15,5 5,38
Пастбище 0-10 14,8 7,62
10-20 13,2 7,11
20-30 15,3 6,58
лого газа снижается в следующем ряду: сенокос (7,74 мг СО2/кг-час) - пастбище (7,10 мг СО2/ кг-час) - залежь (6,62 мг СО2/кг-час) - пашня (5,69 мг СО2/кг-час). Эти данные с определенной долей вероятности свидетельствуют о том, что степень преобразования гумусного состояния почв на сельскохозяйственных угодьях преимущественно определяется трансформацией растительного покрова и связанным с этим изменением запасов подземной фитомассы.
Выводы
Гумусное состояние черноземов южных сильно различается в зависимости от вида сельскохозяйственных угодий, и соответственно, уровня антропогенной нагрузки. Максимальные потери органического вещества и укорочение гумусового профиля наблюдаются в почвах, подвергавшихся непосредственной механической обработке (пашня, залежь). В почвах кормовых угодий, на которых происходит отчуждение лишь надземной фитомассы с сохранением ее корневой части, снижение содержания и запасов гумуса незначительно. Первостепенной причиной дегумификации агропочв можно считать трансформацию растительности как основного поставщика органического вещества для синтеза гумуса. При этом огромное значение имеет преобразование структуры распре-
деления запасов фитомассы: чем большие различия наблюдаются по этому показателю с целинной почвой, тем большие потери гумуса следует ожидать. Из исследованных параметров биологической активности более надежным ин-
дикатором степени агрогенной трансформации гумусного состояния черноземов Оренбургского Зауралья оказалась интенсивность продуцирования углекислого газа.
20.11.2014
Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований
(проект №14-04-31017)
Список литературы:
1. Гришина, Л.А. Система показателей гумусного состояния почв / Л.А. Гришина, Д.С. Орлов // Проблемы почвоведения. -М.: Наука. - 1978. - С. 42-47.
2. Антропогенная трансформация черноземов центра Русской равнины / Т.А. Девятова [и др.] // Вестник Воронежского государственного университета. Серия: Химия. Биология. Фармация. - 2004. - № 2. - С. 128-134.
3. Караваева, Н.А. Агрогенные почвы: условия среды, свойства и процессы / Н.А. Караваева // Почвоведение. - 2005. -№ 12. - С. 1518-1529.
4. Крупеников, И.А. Типизация антропогенных процессов деградации черноземов / И.А. Крупеников // Почвоведение. -2005. - № 12. - С. 1509-1517.
5. Никитин, Е.Д. Экология почв и учение о почвенных экофункциях / Е.Д. Никитин // Почвоведение. - 2005. - № 9. -С. 1044-1053.
6. Раменский, Л.Г. Проблемы и методы изучения растительного покрова / Л.Г. Раменский. - Л.: Наука, 1971. - 334 с.
7. Родин, Л.Е. Методические указания к изучению динамики и биологического круговорота в фитоценозах / Л.Е. Родин, Н.П. Ремезов, Н.И. Базилевич. - Л.: Наука. - 1968. - 145 с.
8. Русанов, А.М. Экологические аспекты гумусообразования и динамика гумуса целинных и пахотных черноземов Преду-ралья / А.М. Русанов, Л.В. Анилова // Экология. - 2009. - № 6. - С. 417-422.
9. Саблина, О.А. Экологические факторы гумусообразования степных почв Оренбургского Зауралья / О.А. Саблина // Вестник Оренбургского государственного университета. - 2010. - № 6. - С. 132-136.
10. Хазиев, Ф.Х. Методы почвенной энзимологии / Ф.Х. Хазиев. - М.: Наука. - 1990. - 189 с.
11. Goryacheva, T.A. The Effect of Soil Cultivation on the Humus State of Gray Forest Soil in the Middle Urals / T.A. Goryacheva // Russian Journal of Ecology. - 2002. - V. 33. - № 4. - Р. 249-252.
12. Ivanov, I. V. Biological mineralization of organic matter in the modern virgin and plowed chernozems, buried chernozems, and fossil chernozems / I.V. Ivanov, L.S. Pesochina, V.M. Semenov // Eurasian Soil Science. - 2009. - V. 42. - № 10. - Р. 1109-1119.
Сведения об авторе:
Саблина Ольга Анваровна, доцент кафедры общей биологии факультета физико-математического и естественно-научного образования Орского гуманитарно-технологического института (филиала) Оренбургского государственного университета, кандидат биологических наук
462403, Оренбургская область, г. Орск, пр. Мира, 15а, е-mail: [email protected]
