CC BY
78
СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ ПРОДУКЦИЯ
УДК 631.4
Профессор Л.В. Степанцова, доцент В.Н. Красин, науч. сотрудник Т.В. Красина
(Мичуринский гос. аграр. ун-т) кафедра агрохимии, почвоведения и агроэкологии, тел. 8-920-497-00-56 E-mail: [email protected]
Professor L.V. Stepantsova, Associate Professor V.N. Krasin, Researcher T.V. Krasina
(Michurinsk state agricultural university) chair of Agricultural Chemistry, Soil Science and Agroecology, tel. 8-920-497-00-56 E-mail: [email protected]
Деградация органического вещества черноземных почв севера Тамбовской области под влиянием переувлажнения
The degradation of organic matter chernozem soils north of the Tambov region under the influence of waterlogging
Реферат. Теоретически обосновано использование оптической плотности различных вытяжек из гумусовых горизонтов для диагностики агроэкологического состояния черноземных почв. Разработаны показатели для оценки степени деградации гумуса. Рассмотрено изменение состава и оптической плотности гуминовых кислот чернозема выщелоченного и черноземных почв севера Тамбовской области, переувлажненных и заболоченных пресными поверхностными водами. Непосредственным объектом исследований послужили шесть почвенных разностей, расположенных на территории землепользования учхоза «Комсомолец» Мичуринского района севера Тамбовской области. Определяли: фракционный состав гумуса по Тюрину в модификации Пономаревой и Плотниковой; оптическую плотность гуминовых кислот I, II и III на длине волны 440 нм. При сохранении высокого общего содержания органического вещества переувлажнение приводит к изменению соотношений фракций гуминовых кислот. Установлено, что вымывание кальция из ППК пресными поверхностными водами сопровождается уменьшением доли и оптической плотности II фракции гуминовых кислот и увеличением доли и оптической плотности I фракции. Предложены критерии оценки деградации органического вещества черноземных почв по оптической плотности гуминовых кислот I и II фракции. Коэффициент степени черноземньгх почв (Ki-п) отражает не только соотношение I и II фракций гуминовых кислот, но и изменение их строения,
© Степанцова Л.В., Красин В.Н., Красина Т.В., 2015
выраженного в оптической плотности. Показана возможность использования коэффициента степени гидроморфизма черноземных почв KI-II для оценки их эколого-гидрологического режима и степени деградации органического вещества.
Summary. The article is devoted to the theoretical justification of the use of optical density of various extracts of humus horizons for the diagnosis of agroecological condition of chernozem and developing indicators to assess the degree of degradation of humus. The change in optical density and composition of humic acids leached chernozem and chernozem-like soils north of the Tambov region, wetlands and wetland fresh surface water. The direct object of research were six different soils located on the land of farm «Komsomolets» Michurinsky area north of the Tambov region. Determined: 1) the fractional composition of humus on the method Turin in the modification Ponomarev and Plotnikova; optical density of acids I, II and III at a wavelength of 440 nm. While maintaining a high total organic matter content, waterlogging leads to a change composition fractions of humic acids. It was found that the leaching of calcium fresh surface water is accompanied by a decrease in the proportion of optical density and II fractions of humic acids and an increase in the proportion of I and the optical density fractions. Criteria of evaluation of the degradation of organic matter on the black soil of the optical density of humic acid fractions I and II. The coefficient of degree chernozems (KI-II) reflects not only the ratio of I and II fractions of humic acids, but also change their structure, expressed in their op-tical-tion density. The possibility of using the coefficient of degree hydro-morphism chernozems KI-II to assess their ecological and hydrological regime and the degree of degradation of organic matter
Ключевые слова: органическое вещество, черноземы, гуминовые кислоты, оптическая плотность, переувлажнение и заболачивание, Тамбовская область.
Keywords: organic matter, black soil, humic acid, optical density, waterlogging and waterlogging, Tambov region.
Органическое вещество черноземов - залог их высокого плодородия. Установлено, что органическое вещество черноземов обладает низкой устойчивостью к переувлажнению [1, 3]. Влияние оглеения на качественный состав органического вещества черноземных почв отмечалось уже первыми исследователями. Так, Н.М. Сибирцев высказывал предположение о том, что побеление чернозема, приуроченного к мелким котловинам, объясняется трансформацией гуминовых соединений в фульвокислоты при продолжительном переувлажнении. Избыточное увлажнение сказывается, прежде всего, на судьбе неспецифических и более простых гумусовых веществ и приводит к обогащению гумуса периферическими боковыми цепочками [7] и в конечном счете к увеличению доли фульвокислот и бурых гуминовых кислот.
Д.С. Орлов, О.Н. Бирюкова и М.С. Розанова [8] в качестве одного из дополнительных показателей гумусного состояния почв приводят оптическую плотность гуминовых кислот, определяемую при концентрации 0,001 % и длине волны 465 нм в кювете толщиной 1 см. Оптическая плотность ГК является важным диагностическим признаком гумусового состояния почв, позволяющим оценить их химическое строение, гидрофильность, способность к образованию комплексных соединений [9].
В литературе очень мало сведений о влиянии различных процессов на оптическую плотность гуминовых кислот, хотя значения ее приводятся во многих работах. Так, О.С. Безуглова и О.Г. Назаренко [2] указывают, что в мочаристой почве (заболоченный участок среди черноземов) в слое 20-40 см коэффициент цветности гуминовых кислот второй фракции увеличивается по сравнению с черноземом почти в 3 раза. Увеличение этого показателя свидетельствует о росте доли алифатических структур в молекулах гуминовых кислот мочаристой почвы.
Для оценки водного режима, степени переувлажнения и заболоченности чер-ноземовидных почв севера Тамбовской низменности ранее нами был предложен критерий, основанный на соотношении оптических плотностей гумусовых кислот I и II фракции - Кл-ц [4, 10], однако данный критерий был предложен чисто эмпирически.
Цель работы - теоретически обосновать использование оптической плотности различных вытяжек из гумусовых горизонтов для диагностики агроэкологического состояния черноземных почв и на основе оптической плотности гуминовых кислот разработать показатели для оценки степени деградации гумуса.
Объектом исследований послужили почвы, расположенные на территории землепользования учхоза «Комсомолец» Мичуринского района севера Тамбовской области. Участок находится на водоразделе Лесной Воронеж и Иловай. Исследуемый ряд состоит из 6 почвенных разностей: чернозем выщелоченный (р. 1) - на выровненном участке, черноземовидная выщелоченная глубокооглеенная (р. 2) - в верхней части склона, черноземовидная оподзоленная слабооглееная (р. 3) - в середине склона, черноземовидная оподзоленная глееватая (р. 4) - на дне открытого понижения, черноземовидная оподзоленная глубокооглеенная (р. 5) - на склоне, черноземовидная подзолистая глееватая (р. 6) - на дне замкнутого понижения (по классификации и диагностике почв СССР [6] черноземовидные - это лугово-черноземные почвы). Все рассматриваемые почвы по гранулометрическому составу являются тяжелосуглинистыми, они сформировались на карбонатном покровном суглинке, дополнительное увлажнение обусловлено поверхностными пресными водами. Свойства, водный режим и продуктивность различных сельскохозяйственных культур на этих почвах изучались нами с 1998 по 2012 гг. [5]. В 2012 г. из пахотного слоя были отобраны образцы почв, в которых определяли:
1) фракционный состав гумуса по Тюрину в модификации Пономаревой и Плотниковой [9]. Так как помимо определения органического углерода измерялась оптическая плотность гуминовых и фульвокислот, то для разделения гумусовых кислот I и II фракции схема экстракции была несколько изменена. Отдельную навеску заливали 0,1 п серной кислотой для извлечения фракции 1а. Вторую навеску сначала заливали 0,1п КаОН для извлечения I и 1а фракций гуминовых и фульвокислот. Затем почву декальцировали, многократно обрабатывая 0,1п НзЭО^ После декальцирования повторяли обработку 0,1п КаОН для извлечения II фракций гуминовых и фульвокислот. Извлечение III фракций проводили кипячением в щелочи. Содержание оставшегося органического вещества определяли непосредственно в остатке. Для более полного извлечения фракций обработку щелочью для извлечения каждой фракции проводили 3 раза. Разделение гуминовых и фульвокислот в вытяжке проводили центрифугированием при 2 ООО оборотах;
2) оптическую плотность гуминовых кислот I, II и III на длине волны 440 нм при стандартной рН вытяжке 8,0-9,2 при концентрации 0,001 в кювете толщиной 1см;
3) Кл-ц - коэффициент степени гидроморфизма черноземовидных почв:
ю-(А-Ю
'-"= В2Г2 '
где В\ - оптическая плотность щелочной вытяжки; ЕЬ, - оптическая плотность щелочной пирофосфатной вытяжки; ^, ^ - соответствующие разбавления. Измерения проводились при длине волны 1=440 нм.
Исследуемый ряд почв по общему содержанию органического вещества существенно не различается (табл. 1). Состав гумуса чернозема выщелоченного и черноземовидных почв с невысокой степенью гидроморфизма резко гуматный (Сгк:Сфк>2). И только в почвах, испытывающих сильное переувлажнение, увеличивается доля фульвокислот и отношение СГК:Сфк снижается до 1,6-1,2. Это
обусловлено, во-первых, более длительным застоем влаги в их профиле и, во-вторых, ее затрудненным оттоком из-за снижения коэффициента фильтрации с ростом степени гидроморфизма черноземных почв.
В черноземе выщелоченном среди гуминовых кислот преобладает II фракция, связанная с кальцием. Именно она определяет высокое потенциальное плодородие черноземных почв и устойчивость органического вещества. С увеличением продолжительности периода переувлажнения происходит снижение содержания II фракции и увеличение доли более подвижной I фракции, свободных и связанных с полуторными окислами гуминовых кислот. В черноземовидной подзолистой глееватой почве I фракция гуминовых кислот становится преобладающей. Это обусловлено вымыванием кальция пресными поверхностными водами и увеличением активности железа. Деградация органического вещества при невысокой степени гидроморфизма в черноземовидных оподзоленных почвах сопровождается ухудшением структуры до комковато-призматической, а при высокой в черноземовидной подзолистой глееватой почве - она морфологически выражена значительно ярче. Структура становится пылеватой, а цвет почвы в сухом состоянии приобретает белесую окраску.
Доля III фракции гуминовых кислот, прочно связанная с минеральной частью почвы, определяется содержанием илистой фракции в почве. Поэтому ее содержание увеличивается в черноземовидной оподзоленной глееватой почве дна открытой депрессии, где наблюдается значительный латеральный привнос ила, и достоверно уменьшается в черноземовидной подзолистой глееватой почве дна замкнутой депрессии, где ил вынесен в нижние горизонты. Однако общее содержание этой фракции невелико, она тяжело извлекается из почвы и существенного значения для диагностики современных почвообразовательных процессов не имеет.
Очень интересную информацию о деградации гумуса можно получить, анализируя данные по оптической плотности гуминовых кислот различных фракций (табл. 1). Для чернозема выщелоченного характерна высокая оптическая плотность II фракции и низкая I. Это свидетельствует о том, что большая часть новообразованного органического вещества связывается с кальцием и прочно закрепляется почве. Морфологически это выражается в хорошей зернистой структуре гумусового горизонта и отсутствием каких-либо признаков потечности гумуса.
В черноземовидной выщелоченной глубокооглеенной и черноземовидной оподзоленной слабооглеенной почвах, кроме увеличения доли I фракции гуминовых кислот, увеличивается и ее оптическая плотность. По-видимому, часть новообразованного органического вещества связывается с полуторными окислами. Изменение качественного состава органического вещества ведет к увеличению подвижности гумуса, сопровождается снижением водопрочности структуры и появлением светло-бурых гумусовых кутан (натеков) в переходных горизонтах. Анализ состава гумуса кутан показал, что вымываются в первую очередь фульвокислоты.
В черноземовидных оподзоленной глееватой и оподзоленной глубокооглеенной почвах, где во влажные годы застой влаги может продолжаться до середины лета, кроме увеличения оптической плотности I фракции, происходит снижение оптической плотности II фракции. Это свидетельствует о более глубокой деградации гумуса. Происходит разрушения гуматно-кальциевых комплексов, определяющих плодородие черноземов. Морфологически это проявляется в появлении в профиле почв бурых и темно-серых гумусовых кутан и деградации структуры до призматической.
В черноземовидной подзолистой глееватой почве происходит полное разрушение гуматно-кальциевых комплексов. Оптическая плотность I и II фракций практически выравнивается. Одинаковая оптическая плотность свидетельствует о сходном строении гуминовых кислот. По сути, это одни и те же гуминовые кислоты, но по-разному закрепленные в почве полуторными окислами. От свойств, характерных для гумусовых горизонтов черноземов, остается только высокое содержание гумуса.
Отсутствие гуматно-кальциевого комплекса, придающего черную окраску, ведет к осветлению почвы и деградации структуры до пылеватой. Подвижность гумуса увеличивается настолько, что переходный горизонт приобретает мраморовидную окраску из-за обильных черных гумусовых кутан.
Таблица 1
Показатели состояния органического вещества чернозема выщелоченного и черноземовидных почв севера Тамбовской равнины
С0рг. СГК^СФК Сгк I Сгк п Сгк ш к,_„
% от ХСгк О 0.001% с % ОТ ЕСгк О 0.001% с % от ХСгк О 0.001% с
1. Чернозем выщелоченный
3,4+0,1 2,3+0,2 20+2 0,194+0,010 69+3 0,550+0,017 11+2 0,118+0,010 1,52,0
2. Черноземовидная выщелоченная глубокооглеенная
3,5+0,3 2,6+0,1 27+2 0,285+0,019 64+2 0,532+0,026 9+3 0,107+0,008 2,13,0
3. Черноземовидная оподзоленная слабооглееная
3,6+0,2 2,1+0,1 34+5 0,271+0,013 56+5 0,544+0,009 9+1 0,116+0,013 3,14,0
4. Черноземовидная оподзоленная глееватая
3,1+0,3 1,5+0,1 43+5 0,270+0,025 45+4 0,441+0,036 12+2 0,160+0,023 4,15,0
5. Черноземовидная оподзоленная глубокооглеенная
4,0+0,2 1,6+0,1 46+3 0,324+0,018 48+3 0,447+0,025 7+2 0,171+0,019 4,56,0
б. Черноземовидная подзолистая глееватая
3,4+0,3 1,2+0,4 69+8 0,322+0,020 27+7 0,338+0,016 4+2 0,124+0,022 8,1-10
Предложенный ранее нами коэффициент степени гидроморфизма черноземовидных почв (Ki.ii) основан на соотношении оптических плотностей щелочной и щелочной пирофосфатной вытяжек. Значение оптической плотности той или иной вытяжки зависит от двух факторов:
1) количества органического вещества, извлекаемого вытяжкой. Так как наблюдается прямая зависимость между степенью гидроморфизма и соотношением двух первых фракций гуминовых кислот, то предложенный показатель можно использовать для характеристики эколого-гидрологического состояния почв (табл. 2). Он согласуется с многолетним водным режимом и продуктивностью сельскохозяйственных культур в годы различной влажности;
2) самой оптической плотности гуминовых кислот.
Так как коэффициент К-п зависит не только от соотношения I и суммы I и II фракций гуминовых кислот, но и от их оптической плотности, то его можно использовать для приблизительной оценки степени деградации гумуса, его подвижности:
1) деградация слабая или отсутствует К1-П 1,5-3,0;
2) деградация слабая и средняя К1-П = 3,1-5,0;
3) деградация сильная и очень сильная К1-П > 5,0.
Более объективную информацию об изменении гумусного состояния черноземных почв представляют сведения об оптической плотности самих гуминовых кислот I и II фракции (табл. 2):
1) деградация отсутствует - Б 0,001% с (ГК1) < 0,25, Б 0,001% с (ГКП) > 5;
2) слабая деградация (вымывание фульвокислот) - Б 0,001% с (ГК1) - 0,25- 0,30, Б 0,001% с (ГКП) > 5;
3) средняя деградация (вымывание гуминовых и фульвокислот I фракции) Б 0,001% с (ГК1) - 0,25- 0,30, Б 0,001% с (ГКП) - 0,40-0,50;
4) сильная деградация (вымывание гуминовых и фульвокислот I и II фракций) - Б 0,001% с (ГК1) - 0,30- 0,35, Б 0,001% с (ГКП) > 40-50;
5) очень сильная (полное разрушение гуматно-кальциевых комплексов) -Б 0,001% с (ГК1) - 0,30- 0,35, Б 0,001% с (ГКП) - 0,30-0,40.
Таблица 2
Диагностическое значение оптической плотности гуминовых кислот чернозема выщелоченного и черноземовидных почв севера Тамбовской равнины
Эколого-гидрологическое состояние почв Состояние органического вещества
Водный режим Продуктивно- к,_„ Морфологиче- (ГК1) (ГКП) Степень
во влажные по сти с.-х. куль- ские признаки О 0.001% с О 0.001% с деграда-
зимним осад- тур деградации гуму- ции гуму-
кам годы са са
1. Чернозем выщелоченный
Промывной 30-40 ц/га Отсутствуют Нет
озимые, 25-30 1,5-2,0 0,20-0,24 0,50-0,58
ц/га - яровые
зерновые
2. Черноземовидная выщелоченная глубокооглеенная
Кратковремен- В сухие годы Редкие светло- Слабая
ный застои повышение 2,1- 3,0 бурые кутаны в 0,25-0,30 0,50-0,58 (вымыва-
влаги до конца урожайности переходном гори- ния фуль-
апреля зерновых на 20 % зонте вокислот)
3. Черноземовидная оподзоленная слабооглееная
Застой влаги Снижение Светло-бурые ку- Слабая
до конца мая озимых на 2050 %, яровых на 50-70 % 3,1-4,0 таны в переходном горизонте 0,25-0,30 0,50-0,58 (вымывание фульвокислот)
4. Черноземовидная оподзоленная глееватая
Застой влаги Вымочки Бурые кутаны в Средняя
до начала июля озимых зер- переходном гори- (вымыва-
новых 4,1- 5,0 зонте, снижение мощности гумусового горизонта 0,25-0,30 0,40-0,50 ние фульвокислот и гуминовых кислот I фракции)
5. Черноземовидная оподзоленная глубокооглеенная
Застой влаги Снижение Черные кутаны в Сильная
до начала июля озимых на 20- переходном гори- (вымыва-
50 %, яровых 4,5-6,0 зонте, снижение 0,30-0,35 0,40-0,50 ние гуми-
на 50-70 % мощности гумусового горизонта новых кислот I и II фракции)
б. Черноземовидная подзолистая глееватая
Поверхност- Вымокание Черные кутаны в Очень
ный застои, озимых зер- переходном гори- сильная
внутрипочвен- новых, невоз- 6,1-10 зонте, снижение 0,30-0,35 0,30-0,40 (полное
ныи - до сере- можность по- мощности и из- разруше-
дины июля сева яровых менение цвета гумусового горизонта ние II фракции гуминовых кислот)
Таким образом, проведенные исследования позволили сделать ряд следующих выводов.
1. Переувлажнение черноземных почв пресными поверхностными водами сопровождается качественным изменением состава органического вещества, его деградацией.
2. При сохранении высокого общего содержания органического вещества переувлажнение приводит к изменению соотношений фракций гуминовых кислот. Вымывание кальция из ППК сопровождается уменьшением доли II фракции гуминовых кислот и увеличением I.
3. Переувлажнение черноземных почв ведет к изменению структуры гуминовых кислот I и II фракции, что сопровождается изменением их оптической плотности. С увеличением степени гидроморфизма снижается оптическая плотность II фракции и увеличивается I.
4. Коэффициент степени черноземных почв (Kmi) отражает не только соотношение I и II фракций гуминовых кислот, но и изменение их строения, выраженного в их оптической плотности. Поэтому его можно использовать не только для характеристики эколого-гидрологических условий почв, но и для приблизительной оценки степени деградации органического вещества черноземов под влиянием поверхностного увлажнения и заболачивания.
5. Данные по оптической плотности I и II фракций гуминовых кислот отражают изменение структуры гуминовых кислот и могут служить для детальной оценки степени деградации органического вещества черноземов.
ЛИТЕРАТУРА
1. Ачканов, С.А. Вторичный гидроморфизм почв степных ландшафтов Западного Предкавказья [Текст] / С.А. Ачканов, С.А. Николаева / / Почвоведение.
- 1999.- № 12.- С. 1424-1432.
2. Везуглова, О.С. Влияние подтопления на свойства чернозема обыкновенного Ростовской области [Текст] / О.С. Везуглова, Д.Г. Невидомская // Почвоведение.- 2003.- № 8.- С. 990-995.
3. Воробьева, A.A. Влияние переувлажнения на природу щелочности обыкновенных черноземов и лугово-черноземных почв Ростовской области [Текст] / A.A. Воробьева, Н.М. Герасименко, Н.Б. Хитров // Почвоведение. - 2002. - № 4.
- С.431-442.
4. Зайдельман, Ф.Р. Методы количественной диагностики степени гидроморфизма черноземовидных почв севера Тамбовской равнины [Текст] / Ф.Р. Зайдельман, A.C. Никифорова, A.B. Степанцова, В.Н. Красин // Вестник Московского университета. Сер. 17. Почвоведение.- 2012.- № 1.
5. Зайдельман, Ф.Р. Генезис и деградация черноземов Европейской России под влиянием переувлажнения, способы защиты и мелиорации [Текст] / Ф.Р. Зайдельман, A.B. Степанцова, A.C. Никифорова [и др.].- Воронеж: Кварта, 2013
- 352 с.
6. Классификация и диагностика почв СССР [Текст]. М., «Колос», 1977, 223 с.
7. Орлов, Д.С. Химия почв [Текст] / Д.С. Орлов. - М.: Изд-во Моск. ун-та, 1985. - 375 с.
8. Орлов, Д.С. Дополнительные показатели гумусного состояния почв и их генетических горизонтов [Текст] / Д.С. Орлов, О.Н. Бирюкова, М.С. Розанова // Почвоведение. - 2004. - № 8. - С. 918-926.
9. Практикум по агрохимии [Текст] / под ред. акад. РАСХН В.Г. Минеева.- М.: Изд-во МГУ, 2001. - 689 с.
10. Степанцова, A.B. Количественный показатель глубины залегания грунтовых вод в черноземовидных почвах севера Тамбовской равнины [Текст] /
Л.В. Степанцова, В.Н. Красин // Вестник Мичуринского государственного аграрного университета. - 2011. - № 2. - С. 106-110.
REFERENCE
1. Achkanov, S.A. Secondary hydromorphism of soils of steppe landscapes of the Western Ciscaucasia [Text] / S.A. Achkanov, S.A. Nikolayeva / / Soil science. - 1999.
- № 12. - P. 1424-1432.
2. Bezuglova, O.S. Influence of flooding on properties of the chernozem ordinary Rostov region [Text] / O.S. Bezuglova, D.G. Nevidomskaya // Soil science. - 2003. -No 8. - P.990-995.
3. Vorobyova, L.A. Influence of remoistening on the nature of alkalinity of ordinary chernozems and meadow and chernozem soils of the Rostov region [Text] / L.A. Vorobyova, N. M. Gerasimenko, N. B. Hitrov // Soil science. - 2002. - № 4. - P. 431-442.
4. Zaydelman, F.R. Methods of quantitative diagnostics of degree of a hydromorphism chernozemovidnykh of soils of the North of the Tambov plain of [Text] / F.R. Zaydelman, A.S. Nikiforova, L.V. Stepantsova, V. N. Krasin//Bulletin of the Moscow university. Soil science. - 2012. - № 1.
5. Zaydelman, F.R. Genesis and degradation of chernozems of the European Russia under the influence of remoistening, ways of protection and melioration of [Text] / F.R. Zaydelman, L.V. Stepantsova, A.S. Nikiforova [etc.]. - Voronezh, 2013. - 352 p.
6. Classification and diagnostics of soils of the USSR [Text].- Moscow, 1977.
- 223 p.
7. Eagles, D. S. Himiya of soils [Text] / D.S. Orlov. - Moscow, 1985. - 375 p.
8. Eagles, D.S. Additional indicators of a humus condition of soils and their genetic horizons [Text] / D.S. Orlov, O. N. Biryukova, M.S. Rozanova // Soil science. - 2004. -№ 8. - P. 918-926.
9. A workshop on agrochemistry [Text] / under the editorship of Akkad. V.G. Mi-neev's Russian Academy of Agrarian Sciences. - Moscow, 2001. - 689 p.
10. Stepantsova, L.V. A quantitative index of a depth of ground waters in the cher-nozemovidnykh soils of the North of the Tambov plain of [Text] / L.V. Stepantsova, V.N. Krasin//Bulletin of Michurinsk state agricultural university. - 2011. - № 2.
- P.106-110.
