CC BY
16
УДК 631.4
Вестник СПбГУ. Науки о Земле. 2021. Т. 66. Вып. 3
Изменение карбонатного состояния и других свойств в хронологических рядах залежных почв на разных почвообразующих породах в заповеднике «Галичья Гора» в Липецкой области
А. М. Булышева1, О. С. Хохлова2, Н. О. Бакунович2, А. В. Русаков1, Т. Н. Мякшина2
1 Санкт-Петербургский государственный университет,
Российская Федерация, 199034, Санкт-Петербург, Университетская наб., 7-9
2 Институт физико-химических и биологических проблем почвоведения Российской академии наук,
Российская Федерация, 142290, Пущино, Московская обл., ул. Институтская, 2
Для цитирования: Булышева, А. М., Хохлова, О. С., Бакунович, Н. О., Русаков, А. В., Мякшина, Т. Н. (2021). Изменение карбонатного состояния и других свойств в хронологических рядах залежных почв на разных почвообразующих породах в заповеднике «Галичья Гора» в Липецкой области. Вестник Санкт-Петербургского университета. Науки о Земле, 66 (3), 533-558. https://doi.org/10.21638/spbu07.2021.306
В статье рассмотрено изменение свойств агрочерноземов миграционно-мицелярных на лёссовидных суглинках и агротемногумусовых на палеоген-неогеновых красноц-ветных песках с элювием известняка Липецкой области при переходе их из пашни в залежь. Основное внимание уделено изменению карбонатного состояния почв. По результатам исследования обнаружено, что трансформация обоих подтипов почв, образованных на разных породах, подчиняется единой тенденции. Карбонаты в черноземах за время нахождения в залежи вымываются вниз по профилю; стабильные формы карбонатных новообразований постепенно исчезают. Содержание и запасы углерода карбонатов в слое 0-200 см в агрочерноземах миграционно-мицелярных уменьшаются на 27.5 т/га к 25 годам залежного состояния. В агротемногумусовых почвах изменения в карбонатном состоянии менее выражены; тем не менее обнаружено, что в пахотной почве на обломках известняка поверх глинистых кутан формируются кутаны из вторичных карбонатов в форме игольчатого кальцита, что не отмечено в почвах залежей. При нахождении в залежи происходит улучшение физико-механических свойств почв: улучшение структуры пахотных горизонтов и их разуплотнение. Содержание углерода органических соединений снижается при нахождении почвы в залежи, что является нетипичным результатом постагрогенной трансформации агрочерноземов. В залежных почвах других областей степи и лесостепи нами был отмечен процесс накопления углерода органических соединений. Снижение Сорг при нахождении в залежи связан с применением почвосберегающих технологий при сельскохозяйственном использовании. Радиоуглеродный возраст гумуса в подпахотных горизонтах увеличивается при нахождении в залежи, радиоуглеродный возраст карбонатов в почвах изменяется в зависимости от количества включения литогенного кальцита.
Ключевые слова: залежь, пашня, педогенные карбонаты, радиоуглеродное датирование, чернозем, серые почвы.
© Санкт-Петербургский государственный университет, 2021
1. Введение
Длительное сельскохозяйственное воздействие на почвенный покров центральной части Европейской России обуславливает изменения состава и свойств самих почв. При развитии таких процессов, как дегумификация, уплотнение, под-кисление, карбонатизация, ощелачивание, происходит изменение педогенного углерода как в составе гумуса, так и в составе карбонатных соединений (Козловский и Чаплин, 1994). Довольно хорошо изучена проблема трансформации органического углерода, гумусного состояния почв в лесостепной зоне при разных режимах землепользования на разных временных отрезках (Bruun et al., 2015; Francaviglia et al., 2014; Русанов и др., 2011; Саблина, 2016; Савин и Чендев, 1994; Шпедт и Вергейчик, 2014) в отличие от темы изменения карбонатного состояния почв при сельскохозяйственном воздействии разной длительности, разрабатываемой в последние года в наших работах (Khokhlova et al., 2013; 2014; 2015, Kuznetsova et al., 2010). В работах других авторов, изучавших залежные почвы, рассматривались формы карбонатов в почвах разновозрастных залежей, проводилось определение содержания СаСО3 (Arevalo et al., 2017, Kalinina et al., 2011). Ранее нами была опубликована работа об изменении карбонатного состояния в почвах заповедника «Белогорье», участок «Лес на Ворскле», где мы подробно рассмотрели данную проблему для серых и темно-серых почв центральной лесостепи (Булышева и др., 2018). Однако до сих не ясна цельная картина, характеризующая процессы трансформации карбонатов в разновозрастных залежах почв лесостепи, в частности влияние почвообразующих пород на эти процессы. К тому же изучение изменения карбонатного состояния в разновозрастных залежах приближает нас к ответу на вопрос о характерной скорости преобразования основных его параметров при снятии дополнительной антропогенной нагрузки, каковой является распашка.
Цель данного исследования — изучение форм, содержания, строения и состава карбонатов и других свойств разновозрастных залежных почв заповедника «Гали-чья Гора» и прилегающих территорий Липецкой области с учетом разнообразия почвообразующих пород, на которых формируются изучаемые почвы.
2. Объекты и методы
Объекты исследования располагаются в Липецкой области на участках государственного природного заповедника «Галичья Гора» и прилегающих территориях (рис. 1). Район исследования расположен в границах Придонского извест-няково-карстового лесостепного физико-географического района лесостепной провинции Среднерусской возвышенности (Мильков, 1966). Для исследуемой территории характерны относительно однородные климатические условия и единое геологическое и геоморфологическое строение, в котором значительную роль играют девонские известняки. Рельеф территории заповедника и окрестностей представлен пологов олнистой равниной, расчлененной долинно-балочной сетью (Нестеров, 2017). Территория находится на северо-восточном склоне Воронежской антеклизы Русской плиты древней Восточно-Европейской платформы. Осадочный чехол включает: девонские карбонатные и терригенные отложения (известняки, доломиты, мергели, песчаники, глины, алевролиты) с прослоями гипса, которые
Рис. 1. Месторасположение участков исследования (спутниковый снимок: https://yandex.ru/maps)
вскрываются по долине р. Дон и его притоков. Четвертичные отложения на водоразделах представлены ледниковыми (валунные суглинки), в одно-ледниковыми (пески, супеси, суглинки) отложениями, перекрытыми покровными лёссовидными суглинками, естественное залегание которых нарушено эрозионно-денудационны-ми процессами (Природа... 1996; Барашкова и Красненков, 1998). Вдоль берегов рр. Дон и Сухой Лубны располагаются песчаные, суглинистые и глинистые плейстоценовые аллювиальные отложения (валдайский надгоризонт, мончаловский и осташковский горизонты, микулинский и калининский горизонты, московский горизонт, ильинский горизонт) (Барашкова и Красненков, 1998).
В геологическом строении территории Задонского района Липецкой области широкое участие принимают верхнедевонские известняки (Михно и Кучин, 2005). Почвообразующими породами выступают лёссовидные суглинки, естественное залегание которых нарушено эрозионно-денудационными процессами, и песчаные, супесчаные аллювиальные отложения надпойменных террас р. Дон (Барашкова и Красненков, 1998). Грунтовые воды находятся глубже 10 м.
Были изучены два хроноряда залежных почв. Они расположены на приводораз-дельных пологих склонах с уклоном 1-2°. Первый ряд был представлен агрочерно-земами миграционно-мицелярными. Почвообразующими породами для почв изученного ряда послужили карбонатные лёссовидные суглинки. Первый почвенный разрез был заложен на пашне, распашка которой проводилась непрерывно в течение последних 100 лет; второй и третий — на залежах возрастом около 15 и 25 лет соответственно. К сожалению, на момент описания на залежи возрастом 15 лет был
Таблица 1. Характеристика объектов исследования
Номер разреза Координаты WGS 84, высота над уровнем моря Тип землепользования Название почвы
КиДПР* WRB**
Ч1 52.776222 N, 39.060056 E; 163 м пашня агрочернозем миграционно-мицелярный Haplic Chernozem (Aric)
Ч2 52.773633 N, 39.051617 E; 168 м залежь 15 лет агрочернозем миграционно-мицелярный постагрогенный Haplic Chernozem (Aric)
Ч3 52.774556 N, 39.059361 E; 163 м залежь 25 лет агрочернозем миграционно-мицелярный постагрогенный Haplic Chernozem (Aric)
Т1 52.585280 N, 38.920342 E; 142 м пашня агротемногумусовая почва Calcaric Phaeozem (Aric)
Т2 52.585321 N, 38.919943 E; 141 м залежь 25 лет агротемногумусовая постагрогенная почва Calcaric Phaeozem (Aric)
Т3 52.766332 N, 39.053453 E; 153 м залежь 40 (45) лет агротемногумусовая постагрогенная почва Calcaric Phaeozem (Aric)
* Классификация и диагностика почв России (Шишов и др., 2004). ** World reference base for soil resources (IUSS Working Group WRB, 2015).
произведен посев пшеницы (первый год), а залежь 25 лет была продискована, поэтому мы не смогли изучить залежи в полностью ненарушенном состоянии. До этого вмешательства залежь возрастом 15 лет находилась в первой стадии восстановления растительного покрова с обилием сорных видов, а на залежи возрастом 25 лет уже появились зональные степные виды травянистой растительности, включая ковыль, а также разреженные кустарники, характерные для лесостепи.
Второй хроноряд состоял из агротемногумусовых почв под пашней, также распахиваемой чуть более 100 лет, и находящихся в залежи возрастом около 25 и 40 (45) лет. Почвообразующей породой для второго ряда являются палеоген-неогеновые красноцветные аллювиальные суглинистые отложения, подстилаемые песками со включением верхнедевонских известняков. Растительность исследованных участков была представлена характерными для залежей сообществами: разнотравными и злаково-разнотравными лугами. Пахотное поле было засеяно рожью. Характеристика объектов исследования представлена в табл. 1 и на рис. 2.
Все почвенные разрезы были заложены на равнинных пологих участках с минимальными различиями высоты участков (табл. 1). Уровень грунтовых вод везде значительно ниже глубины почвенного профиля и не может значимо влиять на почвенный профиль.
Залежь (около 15 лет) Залежь (около 25 лет)
О 20 406080100 120 140 160 180200 J
0п 2040 -60 -80 -100 120140 -160 180 -200 -I
Залежь (около 25 лет)
Залежь (около 40 (45) лет)
0 20 40 -
0 -, 9 П
zu - 40 -
60 -
80 -
100 -
120 -
140 -150 J
0 20 40 60 80 100 -120
ча>
nT-V -S Ч\
Рис. 2. Схематическое изображение почвенных профилей. Белыми крапинками указано местоположение карбонатного псевдомицелия в горизонтах агро-черноземов миграционно-мицелярных. Белыми полосами указана глубина вскипания от 10%-го раствора HCl. Мощность горизонтов указана в сантиметрах. В горизонтах C и Dca агротемногумусовых почв изображен элювий известняка. Составлено авторами
Было проведено подробное морфологическое описание заложенных разрезов, определено классификационное положение почв согласно (Шишов и др., 2004). В хроноряду черноземов миграционно-мицелярных на лёссовидных суглинках была измерена плотность сложения и влажность почвы, для чего были отобраны пробы методом режущего кольца (Растворова, 1983) в трехкратной повторности. В агротемногумусовых почвах плотность не измерялась, поскольку включение в нижней части изученных разрезов значительного количества обломков известняка не позволило бы корректно сравнить запасы углерода органических соединений и углерода карбонатов.
В каждом разрезе обоих хронорядов были отобраны образцы общей массы из каждых 10 см для первого верхнего метра профиля, и из каждых 20 см — для нижней части профиля (табл. 2). В этих образцах были выполнены следующие анализы: гранулометрический состав методом пипетки с диспергацией суспензии пирофосфатом натрия (Растворова, 1983); содержание общего углерода на CHNS-932-анализаторе (Leco, США); содержание углерода карбонатов — манометрически (Воробьева, 1998). Углерод органических соединений рассчитан по разности между общим и карбонатным. В тех же образцах были определены значения pH потенцио-метрически в водной суспензии с соотношением почвы и воды 1:2.5. В образцах ненарушенного сложения, отобранных из карбонатных горизонтов агрочерноземов и горизонтов C агротемногумусовых почв, было проведено мезоморфологическое описание при помощи бинокулярного стереомикроскопа МБС-10. Образцы для последующего микроморфологического описания были отобраны из тех же горизонтов, что образцы для мезоморфологического анализа. Из них были изготовлены шлифы, описание проведено с помощью микроскопа Carl Zeiss AxioScope A1 в Центре коллективного пользования Института физико-химических и биологических проблем (ЦКП ИФХиБПП) РАН (г. Пущино, Россия). Радиоуглеродное датирование карбонатов и гумуса проведено в лаборатории изотопных исследований Российского государственного педагогического университета им. А. И. Герцена под руководством М. А. Кульковой. Образцы на определение радиоуглеродного возраста карбонатов отбирались вместе с вмещающей почвенной массой ввиду невозможности отделения мелких карбонатных новообразований, глубины отбора конкретных образцов для датирования приведены в табл. 3.
3. Результаты исследования
3.1. Морфологическое строение профилей почв
Профиль пахотного чернозема состоит из двух пахотных темногумусовых горизонтов PU, различающихся по структуре, содержанию трещин, включению стерни, обилию корней. Так, в верхнем горизонте PU1 присутствует запаханная прошлогодняя стерня, он густо переплетен корнями пшеницы, имеет мелкокомковатую структуру. Тогда как нижележащий горизонт PU2 не содержит стерни; корней существенно меньше. Структура глыбисто-призматическая. Выражена трещинная сеть, трещины распространены только в этом горизонте, глубже не уходят. Под горизонтом PU2 сохранился горизонт AUca. Структура данного горизонта зернисто-комковатая, т. е. разительно отличается от структуры вышележащего горизонта.
Таблица 2. Гранулометрический состав и рН водной вытяжки
Глубина, см рНвод Содержание ( >ракций в мм, %
1-0.25 0.25-0.05 0.05-0.01 0.01-0.005 0.005-0.001 < 0.001
Ч1
0-10 7.27 4 7 42 12 22 13
10-20 7.27 3 8 39 14 22 15
20-30 7.18 3 8 33 12 21 22
30-40 7.30 3 4 40 12 20 22
40-50 7.39 2 3 40 13 20 22
50-60 7.48 2 4 36 12 19 27
60-70 7.55 2 2 38 11 20 26
70-80 7.59 1 6 35 11 18 28
80-90 7.93 1 3 38 11 19 28
90-100 8.10 2 9 29 12 33 15
100-120 8.15 8 7 27 10 31 18
120-140 8.27 10 8 25 10 28 20
140-160 8.29 8 7 26 11 13 35
160-180 8.30 10 5 26 11 7 41
180-200 8.25 15 10 21 12 37 5
Ч2
0-10 7.10 5 5 40 14 21 14
10-20 7.16 6 3 38 15 20 19
20-30 6.97 7 3 40 16 20 14
30-40 7.13 4 3 37 13 19 24
40-50 7.24 4 2 38 14 20 23
50-60 7.34 3 3 37 14 21 23
60-70 7.39 4 2 35 15 20 24
70-80 7.40 3 1 37 12 19 28
80-90 7.80 1 1 38 14 19 28
90-100 8.09 2 3 34 13 21 27
100-120 8.14 3 4 34 12 22 25
120-140 8.17 6 4 30 14 20 26
160-180 8.28 9 8 25 9 21 28
180-200 8.24 11 7 24 9 22 27
Глубина, см рНвод Содержание ( >ракций в мм, %
1-0.25 0.25-0.05 0.05-0.01 0.01-0.005 0.005-0.001 < 0.001
Ч3
0-10 7.48 4 4 36 12 21 23
10-20 7.26 4 5 34 12 23 23
20-30 7.10 5 14 24 9 19 27
30-40 6.92 46 15 13 6 11 8
40-50 6.93 56 5 12 6 10 10
50-60 7.03 54 5 11 5 10 15
60-70 7.03 56 3 11 4 11 14
70-80 7.05 59 3 12 4 10 13
80-90 7.03 50 5 14 4 11 16
90-100 7.13 53 5 13 5 8 16
100-120 7.24 64 7 9 2 5 13
120-140 7.38 75 6 4 0 5 10
140-160 8.02 55 8 5 1 9 22
Т2
0-10 7.29 54 5 12 5 19 4
10-20 7.18 59 5 9 5 13 9
20-30 7.14 57 4 11 8 11 9
30-40 7.13 46 7 14 8 17 8
40-50 7.07 44 8 15 7 18 8
50-60 7.24 54 4 13 7 11 10
60-70 7.24 52 7 11 4 12 14
70-80 7.24 49 10 10 3 10 18
80-90 7.27 42 20 7 3 8 20
90-100 7.28 24 24 4 1 11 35
100-120 7.73 13 23 7 3 12 41
120-140 8.04 83 3 2 1 6 5
0-10 7.63 46 14 10 5 13 12
10-20 7.74 43 16 12 5 12 13
20-30 7.76 41 17 10 6 11 15
30-40 7.58 40 15 12 3 12 18
40-50 7.26 43 12 9 5 10 21
Окончание табл. 2
Глубина, см рНвод Содержание ( >ракций в мм, %
1-0.25 0.25-0.05 0.05-0.01 0.01-0.005 0.005-0.001 < 0.001
Т3
50-60 7.24 43 15 10 4 9 19
60-70 7.22 48 13 9 4 8 17
70-80 7.15 55 12 6 3 8 16
80-90 7.20 62 18 2 0 3 14
90-100 7.20 64 16 3 0 4 13
100-120 7.24 76 12 2 0 3 7
120-140 8.42 78 13 1 0 3 5
Таблица 3. Радиоуглеродный возраст гумуса вторых пахотных горизонтов и карбонатов карбонатно-аккумулятивных горизонтов агрочерноземов миграционно-мицелярных и карбонатов горизонтов C агротемногумусовых почв
Номер разреза Тип землепользования Глубина отбора образца, см Материал, в котором определялся возраст Лабораторный номер 14С-возраст, лет
Ч1 пашня 10-24 гумус вРЬ_2499 3232 ± 60
98-110 карбонаты 8РЬ_2458 8116± 100
145-160 гумус вРЬ_2459 11620 ± 130
Ч2 залежь 15 лет 107-112 карбонаты 8РЬ_2463 11718 ± 150
128-133 карбонаты вРЬ_2494 10924± 150
Ч3 залежь 25 лет 27-32 гумус вРЬ_2497 4573 ± 70
109-120 карбонаты вРЬ_2461 16817± 150
147-152 карбонаты 8РЬ_2462 17314±180
Т1 пашня 10-20 гумус вРЬ_2496 1280 ±25
140-150 карбонаты вРЬ_2456 14070 ±160
Т2 залежь 25 лет 10-20 гумус вРЬ_2495 1072 ± 25
120-130 карбонаты 8РЬ_2457 14058 ± 160
Т3 залежь 40 (45) лет 15-25 гумус вРЬ_2493 1670 ± 30
120-130 карбонаты (из линз песка) вРЬ_2460 15265 ± 150
Здесь гораздо больше ходов мезофауны, чем в предыдущем горизонте. Выражены обратные кротовины с карбонатным псевдомицелием. Далее располагается горизонт ABca, неоднородно окрашенный, с комковатой структурой с тенденцией к призматичности. Здесь также отчетливо выражены ходы мезофауны и кротовины как прямые, так и обратные. Все кротовины содержат карбонатный псевдомицелий. Ниже залегают карбонатно-аккумулятивные горизонты BCAmcl и BCAmc2, различающиеся по цвету и характеру карбонатного псевдомицелия. Нижний горизонт BCAmc2 содержит более длинные и выраженные «нити» псевдомицелия. Структура карбонатно-аккумулятивных горизонтов призматическая, следов мезофауны заметно меньше, чем в вышележащем горизонте ABca. Оба горизонта имеют прямые кротовины с зоогенным псевдомицелием. В горизонте BCAmc2 по граням структурных отдельностей встречается мелкая белоглазка с твердым ядром. Нижний горизонт BCAmc2 постепенно сменяется переходной к породе толщей, которая делится на два горизонта, BCcal и BCca2, различающиеся по содержанию карбонатного псевдомицелия: в нижнем горизонте он встречается редко. Особенность местных лёссовидных суглинков состоит в том, что они содержат обломки известняка. Мелкозем в пахотном черноземе начинает вскипать с верхней границы горизонта AUca.
Морфологическое строение залежных черноземов, исходно похожее на строение пахотной почвы, за период нахождения в залежи успело видоизмениться. К сожалению, залежные черноземы были подвержены сельскохозяйственной обработке в год проведения исследований, и верхние пахотные горизонты (PUpal) были нарушены. Но нижние пахотные горизонты (PUpa2) не были ею затронуты. Агрочер-нозем на пашне имеет характерную для пахотных почв структуру горизонта PU2 — глыбистую с трещинной сетью и переуплотнением. В отличие от него, залежные почвы имеют горизонты PUpa2, в которых следы былой распашки уже менее заметны, они обрели комковато-зернистую структуру. Если в почве, расположенной на залежи возрастом 15 лет, все еще наблюдается переуплотнение (плужная подошва), как и в пахотной почве, то в агрочерноземе на 25-летней залежи в ходе самовосстановления плужная подошва практически исчезла. Горизонты ABca и AB залежных почв не имеют карбонатного псевдомицелия в кротовинах в отличие от аналогичного горизонта пахотной почвы. Линия вскипания от 10%-го раствора HCl в залежных почвах смещается вниз по профилю. Если мелкозем пахотного агрочернозема реагировал с HCl с верхней границы горизонта AUca (24 (28) см), то в 15-летней залежи слабое вскипание от 10%-го раствора HCl проявляется только в горизонте AU на глубине 49 см. В почве 25-летней залежи линия вскипания от 10%-го раствора HCl смещается еще ниже — на верхнюю границу горизонта BCA1 (67 (82) см). Горизонт BCA1 в черноземе 25-летней залежи не имеет карбонатного псевдомицелия в отличие от почв пашни и залежи возрастом 15 лет. В агрочерноземе 15-летней залежи найдена небольшая белоглазка с твердым ядром. В отличие от пахотной почвы, здесь она встретилась единожды.
Агротемногумусовые почвы на пашне и 25-летней залежи образованы на двухчленных отложениях, сверху располагаются суглинистые отложения, а на глубине 130-140 см залегает слой палеоген-неогенового красноцветного песка с элювием известняка. Почва на залежи 40 (45) лет сформирована в несколько других условиях. В ее профиле повсеместно распространена мелкая известняковая щебенка,
которая появляется с глубины 10 см. Слой песка с обилием элювия известняка здесь выражен менее явно. Гранулометрический состав почвы постепенно переходит из суглинка в песок.
Агротемногумусовая почва на пашне имеет пахотный горизонт Ри темно-серого цвета легкосуглинистого гранулометрического состава с неясно комковатой структурой, слегка порошистой. Горизонт очень плотный, почти слитизирован-ный. Имеет отмытые зерна кварца. Нижележащий горизонт Аи темнее предыдущего, крупнокомковатый. Имеет включения камней с железистыми пленками. Горизонт АС, переходный к породе, неоднородно окрашен, на буро-охристом фоне находятся размазанные темно-серые неясно оформленные пятна. Данный горизонт содержит старые прямые кротовины, камни с железистой пленкой, поверх которой находятся карбонатные кутаны. Вокруг некоторых камней встречаются ореолы из карбонатного мучнистого материала диаметром около 3 см. Горизонт С охристого цвета, супесчаный, имеет известняковый щебень и другие камни с карбонатной мучнистой массой вокруг. На одном из камней фрагментарно присутствует псевдомицелий. Есть прямые кротовины. Ниже расположен горизонт Беа, наполовину состоящий из карбонатных валунов и щебня с карбонатной мучнистой массой вокруг. Остальную часть горизонта занимает охристая супесь.
Почва 25-летней залежи слабо отличается от пахотной почвы по морфологическим признакам. Она все еще имеет хорошо выраженный горизонт плужной подошвы. А в почве 40 (45)-летней залежи переуплотненный горизонт исчезает.
3.2. Мезоморфологический анализ почв
Агрочерноземы миграционно-мицелярные. Во всех образцах аккумулятивно -карбонатных горизонтов в крупных порах и трещинах стенки ожелезнены, что может являться свидетельством периодов грунтового увлажнения почв. Поверх ожелезненного мелкозема располагается буровато-серый материал из более мелких частиц. Вероятно, происходило перераспределение глинистого и гумусового материалов. Поверх буровато-серого материала часто отмечается карбонат кальция.
Во всех трех почвах вторичный карбонат кальция в верхнем аккумулятивно-карбонатном горизонте (БСАше1, ВСА1) менее выражен, нежели в нижнем — ВСАте2. Он располагается по стенкам пор в форме волокон. Только в кротовинах поры полностью или почти полностью заполнены кристаллами карбоната кальция в виде тетрагональных призм. Горизонты БСАше2 в одних порах содержат кристаллы игольчатого кальцита, в других — кристаллы в виде тетрагональных призм. В отличие от пахотной почвы в залежных черноземах, в нижних карбонатных горизонтах появляется волокнистый карбонат кальция по граням структурных отдельностей.
Агротемногумусовые почвы. В исследованных образцах горизонтов С агро-серогумусовых почв по граням структурных отдельностей и в крупных порах находятся пленки из буровато-серого тонкодисперсного материала — вероятно, это следы лессиважа. В некоторых порах обнаружены вторичные карбонаты, в основном это игольчатый кальцит. Карбонатная масса имеет губчатое сложение, внутри содержит песчаные зерна. Поверхность обломков известняка, которые были обнаружены в агротемногумусовых почвах, имеет следы выветрелости: творожистое строение, наличие железистых пленок, а поверх них — глинистых кутан. В образце
горизонта С пахотной почвы поверх глинистых кутан располагаются вторичные карбонаты, в основном игольчатый кальцит. В залежных почвах обломки известняка не имеют вторичных карбонатов на поверхности.
3.3. Микроморфологический анализ почв
На микроуровне карбонатные аккумуляции в горизонте ВСА агрочерноземов как пашни, так и залежей представлены окарбоначенными корневыми клетками (ОКК), располагающимися как в пустотах более или менее упорядоченно, так и в виде разрозненных спаритовых зерен, разбросанных в тонкодисперсном материале (рис. 3, а, в, д). Тонкодисперсный материал в той или иной степени пропитан карбонатами, а также в нем обнаруживается множество мелких (не более 50 микрон) зерен литогенного кальцита, имеющих удлиненную либо округлую форму. Эти зерна в значительной степени замаскированы тонкодисперсным железисто-глинистым веществом, поэтому на представленных фото не видны. В горизонте ВСАше почв пашни и 15-летней залежи ОКК довольно сильно дезинтегрированы деятельностью мезофауны, а тонкодисперсная масса имеет следы переувлажнения в виде железисто-марганцевых пятен (рис. 3, а, в). А в почве залежи возрастом 25 лет таких пятен существенно меньше, а ОКК имеют довольно упорядоченный вид и приурочены в основном к порам (рис. 3, д).
Горизонты Сса почв пашни и 15-летней залежи характеризуются высокой степенью окарбоначивания тонкодисперсной массы (рис. 3, б, г), а также в ней наблюдаются разноокрашенные оксидами железа микрозоны (признаки процессов оглее-ния), особенно хорошо заметные в почве пашни (рис. 3, б). В почве 25-летней залежи в горизонте Сса еще хорошо выражены ОКК в порах (рис. 3, е). Почва 25-летней залежи в тонкодисперсной массе как горизонта ВСАше, так и в горизонте Сса содержит наиболее заметное количество зерен литогенного кальцита по сравнению с двумя другими почвами.
В изученных аккумулятивно-карбонатных горизонтах по микроморфологическим наблюдениям карбонатные аккумуляции, представленные на микроуровне ОКК, в почве пашни и залежи возрастом 15 лет имеют признаки ожелезнения, сильно разрознены деятельностью землероев, тогда как в 25-летней залежи они упорядочены, расположены преимущественно в порах и не имеют пятен оксидов железа.
В агротемногумусовых почвах пашни и залежи возрастом 25 лет в горизонте Сса карбонатные аккумуляции представлены скоплениями мелкого игольчатого кальцита (рис. 3, ж, стрелки), а также в виде ОКК (рис. 3, з) и карбонатной пропитки тонкодисперсной массы. Игольчатый кальцит особенно обилен в почвах пашни, тогда как ОКК — в залежных почвах. Вместе с тем в этих горизонтах очень хорошо заметно наличие ожелезненного тонкодисперсного материала исходной породы. То же можно сказать и о микростроении горизонта Сеа почвы 45-летней залежи. Но если в почвах залежей возрастом 25 (рис. 3, з) и (40) 45 лет ожелезненный тонкодисперсный материал и карбонатные аккумуляции занимают разные микрозоны в изучаемом горизонте, т. е. разнесены в пространстве, то в почве пашни игольчатый кальцит залегает поверх ожелезненного тонкодисперсного материала, что четко зафиксировано при сравнительно большом увеличении (рис. 3, ж).
Рис. 3. Микростроение горизонтов агрочерноземов миграционно-мицелярных и агротемногумусовых почв.
Аккумулятивно-карбонатные горизонты агрочерноземов: а — пашня, в — 15-летняя залежь, д — 25-летняя залежь. Горизонты Сеа: б — пашня, г — 15-летняя залежь, е — 25-летняя залежь. Горизонты Сеа агротемногумусовых почв: ж — пашня (стрелками показаны скопления мелкого игольчатого кальцита), з — 25-летняя залежь. Составлено авторами. Пояснения в тексте
По микроморфологическим наблюдениям в агротемногумусовых почвах пашни в горизонте С обильны признаки переувлажнения почвенной массы: заметно преобладающий среди форм карбонатных аккумуляций игольчатый кальцит залегает поверх ожелезненного материала. Тогда как в почвах залежей на первое место среди карбонатных аккумуляций выходят ОКК, их расположение в изучаемом горизонте не связано с зонами ожелезнения почвенного материала, которых существенно меньше в залежах по сравнению с пашней.
Усиление признаков переувлажнения почвенной массы в горизонтах С и Сеа в почвах на пашне связано с застаиванием влаги в этих горизонтах из-за особенностей водного режима почв при распашке. Влага, поступающая в почву в периоды весенне-раннелетней и осенней влагозарядки, когда пашня не покрыта растительностью, просачивается в глубинные горизонты по крупным порам и трещинам и там застаивается. Подобные наблюдения были сделаны нами на других объектах (Булышева и др., 2020).
3.4. Плотность, влажность, гранулометрический состав, значения pH водной вытяжки
Агрочерноземы миграционно-мицелярные. В пахотной почве и почве 15-летней залежи отчетливо выражено уплотнение на глубине 15-20 см, что связано с сельскохозяйственной обработкой почв. Глубже плотность сначала снижается, а затем увеличивается при переходе в карбонатно-аккумулятивный горизонт (рис. 4). В залежном черноземе возрастом 25 лет плотность возрастает постепенно с глубиной до аккумулятивно-карбонатного горизонта и затем изменяется незначительно. При этом плотность постагрогенных пахотных горизонтов значимо ниже плотности этих горизонтов почвы пашни и 15-летней залежи.
Полевая влажность верхних горизонтов почв рассматриваемого залежного ряда значимо не различается. Но начиная с глубины 30-40 см влажность чернозема на залежи возрастом 25 лет начинает превышать влажность почв пашни и 15-летней залежи.
По результатам анализа гранулометрического состава (табл. 2) для исследованных агрочерноземов установлено преобладание фракции крупной пыли, что связано с особенностью почвообразующей породы — лёссовидных суглинков. Характер распределения илистой фракции в изученных почвах неравномерный, но в целом наблюдается очень слабо выраженное накопление частиц < 0.001 мм в срединной части профилей почв (горизонты БСА), что связано с неоднородным гранулометрическим составом исходной почвообразующей породы.
По значениям рНвод исследованные почвы слабо различаются (табл. 2). Слабощелочные значения гумусированной толщи черноземов плавно сменяют щелочные в нижней части профиля. Переход от слабощелочных значений к щелочным на пашне расположен на верхней границе горизонта АБеа, в агрочерноземе 15-летней залежи — на верхней границе горизонта БСАше1, в агрочерноземе 25-летней залежи — около середины горизонта БСА1. Ниже происходит резкое увеличение значений рНвод, связанное с появлением карбонатного псевдомицелия и исходного обогащения лёссовидных суглинков карбонатной щебенкой — осколками верхнедевонских известняков. Глубже всего карбонатный псевдомицелий появляется в почве
Рис. 4. Плотность сложения, влажность и содержание частиц < 0.01 мм в агрочерноземах ми-грационно-мицелярных. Составлено авторами
25-летней залежи (на верхней границе БСАше2 — 107 (113) см), там наблюдается скачок значений рНвод: в интервале между 100 и 120 см, где рНвод увеличивается на 0.7 единиц.
Агротемногумусовые почвы. В гранулометрическом составе всех почв доминируют частицы размером 1-0.25 мм (табл. 2). Распределение фракций физической глины и почвенного ила неоднородное за счет варьирования содержания этих частиц в исходной почвообразующей породе (рис. 5, табл. 2). Значения рНвод находятся в зоне нейтральных и щелочных значений (табл. 2). В залежных почвах значения рНвод выше, чем в пахотной почве. Высокие значения рНвод связаны, в первую очередь, с наличием литогенного кальцита в почвах. Появление вторичных карбонатов не играет значительной роли.
3.5. Содержание и запасы углерода органических соединений и углерода карбонатов
Агрочерноземы миграционно-мицелярные. Распределение содержания углерода органических соединений (Сорг) в изучаемых почвах имеет аккумулятивный характер (рис. 4). У агрочернозема, расположенного на пашне, наибольшее содержание углерода органических соединений в слое 0-10 см, равное 4.6 %. Наименьшим содержанием Сорг в слое 0-10 см обладает почва 15-летней залежи (3.8 %). До глубины 30 см значения Сорг различаются слабо у почвы пашни и 25-летней залежи, при этом почва 15-летней залежи все также имеет значения ниже (рис. 6). С глу-
Рис. 5. Содержание частиц < 0.01 мм, Сорг и Скарб в агротемногумусовых почвах. Составлено авторами
бины 50 см содержание Сорг у почвы 25-летней залежи резко падает и становится ниже, чем у почв пашни и 15-летней залежи, что и сохраняется до глубины 130 см, где содержание Сорг у всех почв сравниваются. Наибольшие запасы Сорг в слоях 0-100 и 0-200 см обнаружены в почве пашни и уменьшаются в ряду от пахотной почвы к почве 25-летней залежи. Запасы Сорг в слое 0-50 см выше всего в почве пашни и приблизительно одинаковые в почвах залежей; в слоях 50-100 и 100-150 см в залежной почве (25 лет) запасы значительно ниже, чем в остальных двух почвах. А в нижнем слое 150-200 см, напротив, наибольшие значения у почвы 25-летней залежи (рис. 6).
Содержание углерода карбонатов (Скарб) во всех почвах одинаково низкое (0.1-0.2 %) до глубины 80-90 см. Затем следует резкий скачок содержания Скарб до 1.6-1.8 % (у почв пашни и 15-летней залежи) и до 1.5 % (у почвы 25-летней залежи). При этом данный скачок расположен выше всего по профилю у почвы 15-летней залежи, затем у почвы пашни и глубже всего у почвы 25-летней залежи. У почвы 15-летней залежи имеется второй максимум содержания Скарб на глубине 140160 см, равный 2.3 %. Максимальные значения Скарб приурочены к карбонатно-ак-кумулятивным горизонтам (рис. 6). Наибольшие запасы Скарб в верхней метровой толще обнаружены в агрочерноземе пашни, а в слое 0-200 см — в почве 15-летней залежи. Во всех слоях (0-50, 50-100, 100-150 и 150-200 см) в почве залежи возрастом 25 лет запасы Скарб ниже, чем в двух других почвах (рис. 6).
Содержание Сор„ %
Содержание С б, %
0.00
2.00
4.00
6.00
0.00
1.00
2.00
3.00
Запасы С , т/га
орг7
200
X Я
О
>>
В
20
40
60
80
100
120 -
140
160
180 -
200
41, пашня
42, залежь 15 лет
43, залежь 25 лет
41, пашня
42, залежь 15 лет
43, залежь 25 лет
Запасы С т/га
каро7
41, пашня
42, залежь 15 лет
43, залежь 25 лет
0-50 см 100-150 см 0-100 см
50-100 см 150-200 см 0-200 см
Рис. 6. Содержание и запасы Сорг и Скарб в агрочерноземах миграциюнно-мицелярных. Составлено авторами
Агротемногумусовые почвы. Наибольшее содержание Сорг в пахотном горизонте имеет почва пашни, чуть меньше — в почве 25-летней залежи и в два раза ниже в почве 40 (45)-летней залежи. Горизонт Аи (18 (21)-57 (59) см) почвы 25-летней залежи имеет самые высокие содержания Сорг (рис. 5). На глубине 30-40 см (горизонт Аи) залежные почвы имеют максимальное накопление Сорг, тогда как в пахотной почве снижение содержания Сорг происходит постепенно с глубиной.
Содержание углерода карбонатов до глубины 70 см наибольшее в почве залежи возрастом 40 (45) лет, что связано со включением большого количества мелкой ли-тогенной карбонатной щебенки. Зато в нижней части профиля этой почвы имеется наименьшее содержание Скарб. В паре почв «пашня — 25-летняя залежь» в верхнем горизонте почвы пашни содержание Скарб выше, чем в почве 25-летней залежи, также более высокие значения отмечаются и в средней части профиля почвы пашни. В нижних горизонтах содержание Скарб повышается на тех участках, где расположена карбонатная мучнистая масса — мелкие осколки известняков, поэтому распределение этого показателя неоднородно во всех трех почвах.
3.6. Радиоуглеродное датирование гумуса и карбонатов почв
Агрочерноземы миграционно-мицелярные. Радиоуглеродное датирование было проведено во вторых пахотных горизонтах залежных и пахотной почв, а также с двух глубин из карбонатно-аккумулятивных толщ. 14С-возраст гумуса выше в черноземе 25-летней залежи (табл. 3). При распашке черноземов увеличивается доля фульвокислот; таким образом, гумус «молодеет» (Саблина, 2016; Русанов и др., 2011). В залежных почвах, где появляются зональные степные виды травянистой растительности (включая ковыль), соотношение углерода гуминовых кислот к фульвокислотам возрастает, скорость биологического круговорота снижается (Герасимов, 1969), гумус «стареет».
14С-возраст карбонатов во всех профилях выше в нижней части аккумулятивно-карбонатной толщи по сравнению с верхней. В почве 15-летней залежи и почве пашни С14-возраст карбонатов одинаковый. Наибольшие даты обнаружены в почве на залежи возрастом 25 лет, где находится наибольшее количество зерен лито-генного кальцита, что и могло повлиять на увеличение С14-возраста.
Агротемногумусовые почвы. В отличие от черноземов радиоуглеродный возраст гумуса второго пахотного горизонта агротемногумусовых почв снижается при переходе от пашни к залежи возрастом 25 лет. А затем возрастает и начинает превышать возраст подпахотного горизонта агротемногумусовой почвы на пашне. 14С-возраст карбонатной массы получился очень близким для всех трех образцов из разрезов из этого хроноряда, поскольку высока исходная окарбоначенность массы нижних горизонтов из-за подстилания известняками; процессы перекристаллизации и появление вторичных карбонатов не смогли существенно изменить картину (табл. 3).
4. Обсуждение результатов
Агрочерноземы миграционно-мицелярные. Пахотный горизонт, у которого в процессе сельскохозяйственного использования произошли деградация структуры и переуплотнение, уже за 15 лет нахождения в залежи приобрел комковато-зернистую структуру, а за 25 лет переуплотнение практически исчезло.
На исследованных нами ранее объектах в Ростовской области (Булышева и др., 2020) было обнаружено накопление Сорг при нахождении почвы в залежи. В данном ряду такая закономерность не выявлена. В верхнем горизонте пахотной почвы содержание Сорг выше, нежели в залежных почвах. Также и запасы в слоях 0-50 и 0-200 см в пахотной почве выше. По нашему мнению, это может быть связано с использованием иной (по сравнению с изученными ранее объектами) агротехники в пахотных почвах и почвосберегающих технологий: рыхление почвы сразу после уборки урожая, сохранение стерни, что предохраняет профиль от сильного пересыхания в позднелетнее, раннеосеннее и весеннее время и предотвращает ветровую и водную эрозию. Радиоуглеродный возраст гумуса в пахотном горизонте возрастает с увеличением возраста залежи, что, вероятно, связано с изменением баланса процессов минерализации и гумификации в сторону последних после забрасывания пашни.
Радиоуглеродное датирование было проведено во вторых пахотных горизонтах залежных и пахотной почв, а также с двух глубин карбонатно-аккумулятивных толщ. 14С-возраст гумуса выше в черноземе 25-летней залежи (табл. 3). Возраст гумуса растет за счет снижения скорости биологического круговорота, увеличения доли стабильного гумуса.
Исследованные почвы различаются и по расположению линии вскипания от 10%-го раствора HCl в профиле. Выше всего она располагается в почве на пашне, затем в почве 15-летней залежи, и глубже всего — в почве 25-летней залежи, т. е. линия вскипания постепенно опускается с возрастом распашки, так как в залежном состоянии исчезает контрастность сезонного водного режима, свойственная пашне. В почве пашни и 15-летней залежи карбонатный псевдомицелий более выражен в нижнем карбонатно-аккумулятивном горизонте (BCAmc2), чем в горизонте BCAmc1. Также горизонт BCAmc2 в этих почвах имеет редкую мелкую белоглазку. При этом в пахотной почве было обнаружено наибольшее количество белоглазки. В почве 25-летней залежи в горизонте BCA1 карбонатный псевдомицелий невооруженным взглядом был не виден и обнаружился только под бинокулярным микроскопом. Зато нижний горизонт BCAmc2 имеет вторичные карбонаты не только в форме псевдомицелия, но и карбонатные налеты по граням структурных отдельностей, которые под бинокулярным микроскопом видны как «волокнистый» вторичный карбонат. В этой почве сегрегационных форм вторичного карбоната кальция не обнаружено. Можно предположить, что при нахождении в залежи белоглазка постепенно растворяется, а на ее месте появляются мобильные формы карбонатных новообразований за счет изменения водного режима.
При распашке меняется водный режим, интенсифицируются восходящие потоки влаги. Вместе с влагой и карбонаты подтягиваются ближе к поверхности почвы. При нахождении почвы в залежном состоянии начинают превалировать нисходящие потоки влаги, карбонаты вымываются в более глубокие слои. Это было нами обнаружено ранее на примере хронорядов залежных и пахотных почв Белгородской (Булышева и др., 2018) и Ростовской областей (Булышева и др., 2020). Содержание и запасы Q^ö в черноземах заметно снижаются за 25 лет нахождения в залежи.
При распашке деятельность землероев смещается вниз по профилю (Булышева и др., 2018), именно поэтому мы видим следы почвенной фауны в аккумулятивно-
карбонатных горизонтах и не видим их в почве 25-летней залежи. Карбонатные аккумуляции в почве пашни и 15-летней залежи, представленные на микроуровне ОКК, имеют пятна оксидов железа, вероятно полученные в ходе изменения окислительно-восстановительных условий при периодическом застое влаги и последующем иссушении. В ходе восстановительной сукцессии водный режим почвы стабилизируется, исчезают зоны периодического переувлажнения. Поэтому в почве 25-летней залежи карбонаты не имеют пятен оксидов железа.
Главная особенность агротемногумусовых почв — это формирование на породах со включением элювия известняка. В почве пашни и 25-летней залежи хорошо выражена карбонатная мучнистая масса, которая располагается либо вокруг известняковых валунов и камней, либо рядом. В почве, которая находилась 40 (45) лет в залежи, участков, содержащих такую карбонатную массу, гораздо меньше, чем в остальных двух почвах. Но, скорее всего, это связано с тем, что данная почва сформирована на породах, залегание которых отлично от залегания почвообразу-ющих пород почв пашни и 15-летней залежи.
В агротемногумусовой почве пашни явно выражен горизонт плужной подошвы, он почти слитизированный. За 25 лет нахождения в залежи такой горизонт практически не изменился и все еще сильно выражен, но при нахождении в залежи 40 (45) лет он практически исчезает. За счет периодического переувлажнения отдельных зон нижних горизонтов С пахотной агротемногумусовой почвы мелкозем ожелезнен, а литогенный карбонат кальция растворяется, затем в этих зонах образуется вторичный игольчатый кальцит. В залежных почвах карбонатные аккумуляции представлены более стабильной формой карбонатов — ОКК.
Как и в ряду агрочерноземов, здесь наибольшее содержание Сорг отмечено в пахотной почве в верхнем горизонте. Глубже, на глубине 30-40 см, в залежных почвах обнаружено резкое увеличение содержания Сорг. С одной стороны, увеличение содержания при переходе от пахотных постагрогенных горизонтов к сохранившейся части горизонта Аи может быть связано с тем, что в целинном горизонте сохранилось присущее естественным почвам высокое содержание Сорг, которое было утрачено в верхних горизонтах при распашке.
В отличие от агрочерноземов, в агротемногумусовых почвах при нахождении в залежи не обнаружено явных изменений в карбонатном состоянии за счет исходной высокой окарбоначенности породы. Тем не менее в нижней части профиля при распашке все же происходит подтягивание карбонатов, что видно по результатам определения содержания Скарб в почве на пашне. При нахождении в залежи вторичные или педогенные карбонаты вновь вымываются ниже, за пределы профиля.
Исследование радиоуглеродного возраста карбонатов вместе с морфологическим анализом на разных уровнях организации почв показало высокое влияние литогенного кальцита на карбонатное состояние.
Итак, в обоих исследованных залежных рядах прослеживается одинаковая тенденция трансформации почв при переходе от пашни к залежи. В гумусовом горизонте улучшается структура, происходит разуплотнение. При этом в агрочер-ноземах эти изменения проявляются быстрее: оструктуривание происходит уже к 15 годам нахождения в залежи, а разуплотнение плужной подошвы — к 25 годам. В агротемногумусовых почвах за 25 лет постагрогенной стадии структура
изменилась лишь частично, а плужная подошва исчезает только к 40 (45) годам. В изученных нами ранее агротемносерых постагрогенных почвах Белгородской области (Булышева и др., 2018) переуплотнение в пахотных горизонтах не исчезает и за 40 лет нахождения в постагрогенной стадии, даже в случае зарастания залежи древесной растительностью. Главную роль в разуплотнении почв играют корни растений и почвенная макро- и мезофауна. Различия в скорости исчезновения плужной подошвы в разных почвах, скорее всего, связаны с разными условиями для жизнедеятельности почвенных животных. В черноземах лесостепи устанавливаются наилучшие условия для них (Стриганова, 2005) за счет баланса тепла, влаги и большого корневого отпада. В агротемногумусовых почвах разуплотнение происходит быстрее, чем в темно-серых почвах, как мы полагаем, за счет более легкого гранулометрического состава. Как в агрочерноземах, так и в агротемногумусовых почвах не выражены следы дегумификации в процессе распашки. Соответственно, и в залежной стадии содержание Сорг не возрастает. Содержание и запасы Скарб в агрочерноземах снижаются к 25 годам залежного состояния, в почвах агротем-ногумусовых также заметна тенденция вымывания карбонатов вниз по профилю в залежной стадии и подтягивания карбонатов при распашке, но только в нижней части профиля.
При изучении залежных рядов лесостепной и степной зон (в Липецкой (рассматриваемых в данной статье), в Белгородской (Булышева и др., 2018) и Ростовской (Булышева и др., 2020) областях) был сделан следующий вывод: изменение карбонатного состояния в целом и изменение форм карбонатных новообразований в частности зависит главным образом от изменений в водном режиме почв. С одной стороны, при переходе от пашни к залежи в верхних горизонтах аккумуляции карбонатов они растворяются, и карбонаты вымываются вниз по профилю за счет интенсификации нисходящих потоков воды. Содержание и запасы карбонатов снижаются в почвах с переходом из пашни в залежь. С другой стороны, в нижних горизонтах, куда при распашке поступает избыток влаги весной, ранним летом и осенью, когда пашня стоит без растений и влага не расходуется ими и может застаиваться в глубоких горизонтах, образуются такие формы карбонатных новообразований, как белоглазка с твердым ядром. На залежах в агрочерноземах миграционно-мицелярных липецкого ряда и в агрочерноземах сегрегационных ростовского ряда за 20-25 лет белоглазка с твердым ядром исчезает.
5. Заключение
В исследованных агрочерноземах миграционно-мицелярных и агротемногу-мусовых почвах в процессе восстановительной сукцессии после выведения почвы из сельскохозяйственного оборота выявлены единые тенденции трансформации почвы, которые также были характерны для залежных почв лесостепной и степной зон, изученных нами ранее. Характерно постепенное приобретение ими естественных черт, свойственных почвам до распашки, за счет восстановления целинной растительности и смены водного режима. При нахождении в залежи содержание углерода органических соединений снижается как в агрочерноземах, так и в агро-темногумусовых почвах, что связано с высокой культурой агротехники на исследованных пашнях. При этом радиоуглеродный возраст гумуса подпахотных горизон-
тов увеличивается при нахождении в залежи, что говорит о замедлении скорости биологического круговорота, увеличении доли стабильного гумуса. В черноземах исчезают сегрегационные формы карбонатных новообразований, что возвращает их к зональному облику. Происходит трансформация вторичных педогенных карбонатов по направлению от более стабильных форм к менее стабильным. Как у аг-рочерноземов, так и у агротемногумусовых почв выявлено вымывание карбонатов вниз по профилю, снижение их содержания и запасов при нахождении их в залежи по сравнению с пахотными аналогами.
По результатам исследований почв разных типов и подтипов (агрочернозе-мы миграционно-мицелярные, агрочерноземы сегрегационные, агротемносерые и агротемногумусовые почвы) лесостепной и степной зон можно отметить единую тенденцию трансформации как карбонатного состояния почв, так и остальных рассмотренных свойств при восстановлении почв в залежи. Почва постепенно восстанавливает свой природный целинный облик на всех уровнях организации. Но в разных почвенных типах и подтипах эти изменения имеют разную степень выраженности и разную длительность трансформационных процессов.
Авторы статьи благодарят В. С. Сарычева, кандидата биологических наук, заместителя директора по научной работе государственного природного заповедника «Галичья Гора» за содействие и помощь при выборе объектов исследования и при проведении полевых работ. Работа О. С. Хохловой и Т. Н. Мякшиной велась в рамках выполнения темы государственного задания № 0191-2019-0046.
Литература
Барашкова, З. К., Красненков, Р. В. (сост.) (1998). Геологическая карта четвертичных отложений Липецкой области. М. 1:500 000. С. М. Шик, ред., МПР РФ. Центральный региональный геологический центр.
Булышева, А. М., Хохлова, О. С., Бакунович, Н. О., Русаков, А. В., Мякшина, Т. Н., Рюмин, А. Г. (2020). Изменение карбонатного состояния черноземов Приазовья при переходе их из пашни в залежь. Почвоведение, (8), 1025-1038. https://doi.org/10.31857/S0032180X2008002X Булышева, А. М., Хохлова, О. С., Русаков, А. В., Мякшина, Т. Н. (2018). Изменение карбонатного состояния пахотных и залежных почв юга лесостепной зоны Среднерусской возвышенности (заповедный участок «Лес-на-Ворскле»). Вестник Томского государственного университета. Биология, 41, 6-26. https://doi.Org/10.17223/19988591/41/1 Воробьева, Л. А. (1998). Химический анализ почв. Москва: Изд-во Московского ун-та. Герасимов, И. П. (1969). Абсолютный и относительный возраст почв. Почвоведение, (5), 27-32. Козловский, Ф. И, Чаплин, В. А. (1994). Агродеградация черноземов. В: Степи Русской равнины: состояние, рационализация аграрного освоения. Москва: Наука, 174-191. Мильков, Ф. Н. (1966). Ландшафтная география и вопросы практики. Москва: Мысль. Михно, В. Б., Кучин, А. В. (2005). К вопросу создания ландшафтно-экологического каркаса Задонского района Липецкой области. Вестник Воронежского государственного университета. Серия: География. Геоэкология, (2), 19-28. Нестеров, Ю. А. (2017). Ландшафтные особенности. В: В. С. Сарычев, под ред., Природа долины реки Сухая Лубна. Уникальные природные территории Липецкой области. Воронеж: Научная книга, 6-23.
Природа Липецкой области и ее охрана. (1996). Сборник статей. Вып. 8. Липецк. Растворова, О. Г. (1983). Физика почв (практическое руководство). Ленинград: Изд-во Ленингр. ун-та.
Русанов, А. М., Тесля, А. В., Саягфарова, А. М. (2011). Восстановление гумусного состояния степных черноземов под многолетней залежью. Вестник Оренбургского государственного университета, 12 (131), 132-134.
Саблина, О. А. (2016). Гумусное состояние черноземов сельскохозяйственных угодий Южного Зауралья. Международный научно-исследовательский журнал, 11 (53), часть 2, 138-140. https:// doi.org/10.18454/IRJ. 2016.53.228 Савин, И. Ю., Чендев, Ю. Г. (1994). Изменение во времени содержания гумуса в пахотных лесостепных почвах. Почвоведение, (5), 88-92. Стриганова, Б. Р. (2005) Пространственные вариации функциональной структуры сообществ животного населения степных почв Европейской России. Поволжский экологический журнал, (3), 268-276.
Шишов, Л. Л., Тонконогов, В. Д., Лебедева, И. И., Герасимова, М. И. (2004). Классификация и диагностика почв России. Смоленск: Ойкумена. Шпедт, А. А., Вергейчик, П. В. (2014). Оценка скорости восстановления гумусного состояния почв
Красноярского края в условиях залежи. Вестник АГАУ, 6 (116), 48-52. Arevalo, J. R., Fernandez-Lugo, S., Reyes-Betancort, J. A., Tejedor, M., Jimenez, C. and Diaz, F. J. (2017). Relationships between soil parameters and vegetation in abandoned terrace fields vs. nonterraced fields in arid lands (Lanzarote, Spain): An opportunity for restoration. Acta Oecologica, 85, 77-84. https:// doi.org/10.1016/j.actao.2017.09.014 Bruun, T. B., Elberling, B., de Neergaard, A. and Magid, J. (2015). Organic carbon dynamics in different soil types after conversion of forest to agriculture. Land Degradation & Development, 26 (3), 272-283. https://doi.org/10.1002/ldr.2205 Francaviglia, R., Benedetti, A., Doro, L., Madrau, S. and Ledda, L. (2014). Influence of land use on soil quality and stratification ratios under agro-silvo-pastoral Mediterranean management systems. Agriculture, Ecosystems & Environment, 183, 86-92. https://doi.org/10.1016/j.agee.2013.10.026 IUSS Working Group WRB. (2015). World Reference Base for Soil Resources 2014, update 2015. International soil classification system for naming soils and creating legends for soil maps. In: World Soil Resources Reports, no. 106. Rome: FAO. Kalinina, O., Krause, S. E., Goryachkin, S. V., Karavaeva, N. A., Lyuri, D. I. and Giani, L. (2011). Selfresto-ration of post-agrogenic chernozems of Russia: Soil development, carbon stocks, and dynamics of carbon pools. Geoderma, 162 (1-2), 196-206. https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2011.02.005 Khokhlova, O. S., Chendev, Yu. G. and Myakshina, T. N. (2014). Change in pedogenic carbon stocks under different types and duration of agricultural management practices in the central Russian forest steppe. In: M. Oelbermann, ed., Sustainable Agroecosystems in Climate Change Mitigation. Wageningen Academic Publishers, 33-52. https://doi.org/10.3920/978-90-8686-788-2_2 Khokhlova, O. S., Chendev, Yu. G., Myakshina, T. N., Alexandrovskiy, A. L. and Khokhlov, A. A. (2015). Evolution of Chernozems in the southern forest-steppe of the Central Russian Upland under long-term cultivation examined in the agro-chronosequences. Quaternary International, 365, 175-189. https:// doi.org/10.1016/j.quaint.2014.10.012 Khokhlova, O. S., Myakshina, T. N., Chendev, Y. G. and Shishkov, V. A. (2013). The pool of pedogenic carbon in the soils of different types and durations of use as croplands in the forest-steppe of the Central Russian Upland. Eurasian Soil Science, 46, 530-540. https://doi.org/10.1134/S1064229313050062 Kuznetsova, A. M., Khokhlova, O. S., Chendev, Yu. G. and Aleksandrovskii, A. L. (2010). Evolution of the Carbonate State of Agrogenically Transformed Dark Gray Forest Soils in the Central Forest-Steppe. Eurasian Soil Science, 43, 1527-1534. https://doi.org/10.1134/S1064229310130119
Статья поступила в редакцию 1 июля 2020 г.
Статья рекомендована в печать 18 июня 2021 г.
Контактная информация:
Булышева Анна Михайловна — annie.bulysheva@gmail.com Хохлова Ольга Сергеевна — olga_004@rambler.ru Бакунович Никита Олегович — nbakunovich86@gmail.com Русаков Алексей Валентинович — a.rusakov@spbu.ru Мякшина Татьяна Николаевна — mtn59@mail.ru
The change in carbonate state and other properties in chronosequences of abandoned soils in different parent rocks in the reserve "Galich'ia Gora" in the Lipetsk oblast
A. M. Bulysheva1, O. S. Khokhlova2, N. O. Bakunovich2, A. V. Rusakov1, T. N. Myakshina2
1 St. Petersburg State University,
7-9, Universitetskaya nab., St. Petersburg, 199034, Russian Federation
2 Institute of Physicochemical and Biological Problems of Soil Science of the Russian Academy of Sciences,
2, Institutskaya ul., Pushchino, Moscow Region, 142290, Russian Federation
For citation: Bulysheva, A. M., Khokhlova, O. S., Bakunovich, N. O., Rusakov, A. V., Myakshina, T. N. (2021). The change in carbonate state and other properties in chronosequences of abandoned soils in different parent rocks in the reserve "Galich'ia Gora" in the Lipetsk oblast. Vestnik of Saint Petersburg University. Earth Sciences, 66 (3), 533-558. https://doi.org/10.21638/spbu07.2021.306 (In Russian)
The article considers the change in the properties of Haplic Chernozems (Aric) on loesslike loams and Calcaric Phaeozems (Aric) on Paleogene, Neogene red-colored sands with limestone eluvium of the Lipetsk region when they are transferred from cropland to fallow. Attention is paid primarily to the change in the carbonate status of soils. According to the results of the study, it was found that the transformation of both types of soils formed on different rocks obeys a single trend. Carbonates in Chernozems during their time in fallow are washed down the profile; stable forms of carbonate pedofeatures gradually disappear. The content and stocks of carbonate carbon in the 0-200 cm layer in Haplic Chernozems (Aric) decrease by 27.5 t/ha by 25 years of fallow state. In Calcaric Phaeozems (Aric), changes in the carbonate status are less pronounced; nevertheless, it was found that in the arable soil on the fragments of limestone, secondary carbonate films in the form of acicular calcite are formed on top of clay films, which was not observed in the abandoned soils. When the soil is in the fallow, the physical and mechanical properties of the soil improve: the structure of the arable horizons improves and density decreases. Also, the organic carbon content is reduced. This is an atypical result of postagrogenic transformation of Haplic Chernozems (Aric). In the fallow soils of other regions of the steppe and forest-steppe, we observed the process of accumulation of organic carbon. The decrease in soil organic carbon while in the fallow is associated with the use of soil-saving technologies for agricultural use. The radiocarbon age of humus in subsurface horizons increases when soil is in the fallow. The radiocarbon age of carbonates in soils varies depending on the amount of lithogenic calcite inclusion.
Keywords: fallow, cropland, pedogenic carbonates, radiocarbon dating, Chernozem, Phaeo-zem.
References
Arevalo, J. R., Fernandez-Lugo, S., Reyes-Betancort, J. A., Tejedor, M., Jimenez, C. and Diaz, F. J. (2017). Relationships between soil parameters and vegetation in abandoned terrace fields vs. nonterraced fields in arid lands (Lanzarote, Spain): An opportunity for restoration. Acta Oecologica, 85, 77-84. https:// doi.org/10.1016/j.actao.2017.09.014 Barashkova, Z. K. and Krasnenkov, R. V. (comp.) (1998). Geological Map of the Quaternary Sediments of the Lipetsk Region, Scale 1:500000, S. M. Shik, ed., MPR RF. Tsentral'nyi regional'nyi geologicheskii tsentr. (In Russian)
Bruun, T. B., Elberling, B., de Neergaard, A. and Magid, J. (2015). Organic carbon dynamics in different soil types after conversion of forest to agriculture. Land Degradation & Development, 26 (3), 272-283. https://doi.org/10.1002/ldr.2205
Bulysheva, A. M., Khokhlova, O. S., Bakunovich, N. O., Rusakov, A. V., Myakshina, T. N. and Ryumin, A. G. (2020). Changes in the carbonate status of Chernozems of Azov region upon their conversion from cropland to Long-term fallow. Eurasian Soil Science, 53, 1182-1194. https://doi.org/10.1134/ S1064229320080025
Bulysheva, A. M., Khokhlova, O. S., Rusakov, A. V. and Myakshina, T. N. (2018). The Change in Carbonate State of Arable and Abandoned Soils in the South of the Forest-Steppe Zone of the Central Russian Upland (Nature Reserve "Les-na-Vorskle"). Tomsk State University Journal of Biology, 41, 6-26. https:// doi.org/10.17223/19988591/41/1 (In Russian) Francaviglia, R., Benedetti, A., Doro, L., Madrau, S. and Ledda, L. (2014). Influence of land use on soil quality and stratification ratios under agro-silvo-pastoral Mediterranean management systems. Agriculture, Ecosystems & Environment, 183, 86-92. https://doi.org/10.1016Zj.agee.2013.10.026 Gerasimov, I. P. (1969). Absolute and relative age of soils. Pochvovedeniye, (5), 27-32. (In Russian) IUSS Working Group WRB. (2015). World Reference Base for Soil Resources 2014, update 2015. International soil classification system for naming soils and creating legends for soil maps. In: World Soil Resources Reports, no. 106. Rome: FAO. Kalinina, O., Krause, S. E., Goryachkin, S. V., Karavaeva, N. A., Lyuri, D. I. and Giani, L. (2011). Selfresto-ration of post-agrogenic chernozems of Russia: Soil development, carbon stocks, and dynamics of carbon pools. Geoderma, 162 (1-2), 196-206. https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2011.02.005 Khokhlova, O. S., Chendev, Yu. G. and Myakshina, T. N. (2014). Change in pedogenic carbon stocks under different types and duration of agricultural management practices in the central Russian forest steppe. In: M. Oelbermann, ed., Sustainable Agroecosystems in Climate Change Mitigation. Wageningen Academic Publishers, 33-52. https://doi.org/10.3920/978-90-8686-788-2_2 Khokhlova, O. S., Chendev, Yu. G., Myakshina, T. N., Alexandrovskiy, A. L. and Khokhlov, A. A. (2015). Evolution of Chernozems in the southern forest-steppe of the Central Russian Upland under long-term cultivation examined in the agro-chronosequences. Quaternary International, 365, 175-189. https:// doi.org/10.1016/j.quaint.2014.10.012 Khokhlova, O. S., Myakshina, T. N., Chendev, Y. G. and Shishkov, V. A. (2013). The pool of pedogenic carbon in the soils of different types and durations of use as croplands in the forest-steppe of the Central Russian Upland. Eurasian Soil Science, 46, 530-540. https://doi.org/10.1134/S1064229313050062 Kozlovskii, F. I. and Chaplin, V. A. (1994). Agrodegradation of chernozems. In: Steppes of the Russian plain:
state, rationalization of agricultural development. Moscow: Nauka Publ., 174-191. (In Russian) Kuznetsova, A. M., Khokhlova, O. S., Chendev, Yu. G. and Aleksandrovskii, A. L. (2010). Evolution of the Carbonate State of Agrogenically Transformed Dark Gray Forest Soils in the Central Forest-Steppe. Eurasian Soil Science, 43, 1527-1534. https://doi.org/10.1134/S1064229310130119 Mikhno, V. B. and Kuchin, A. V. (2005). On the issue of creating a landscape-ecological framework of the Zadonsky district of the Lipetsk region. Proceedings of Voronezh State University. Series: Geography. Geoecology, (2), 19-28. (In Russian) Mil'kov, F. N. (1966). Landscape geography and practical issues. Moscow: Mysl' Publ. (In Russian) Nesterov, Iu. A. (2017). Landscape features. In V. S. Sarychev, ed., The nature of the valley of the Sukhaya Lubna River. Unique natural territories of the Lipetsk region. Voronezh: Nauchnaia kniga Publ., 6-23. (In Russian)
Rastvorova, O. G. (1983). Soil Physics (practical guide). Leningrad: Leningrad University Press. (In Russian)
Rusanov, A. M., Teslia, A. V. and Saiagfarova, A. M. (2011). Recovery of the humus status of steppe chernozems under a long-term fallow. Vestnik of the Orenburg State University, 12 (131), 132-134. (In Russian)
Sablina, O. A. (2016). Humus state of soil in farmland of South Zauralye. International research journal,
11 (53), part 2, 138-140. https://doi.org/10.18454/IRJ.2016.53.228 (In Russian) Savin, I. Iu. and Chendev, Yu. G. (1994). The change in time of the humus content in arable forest-steppe
soils. Pochvovedenie, (5), 88-92. (In Russian) Shishov, L. L., Tonkonogov, V. D., Lebedeva, I. I. and Gerasimova, M. I. (2004). Classification and Diagnostics
of soils of Russia. Smolensk: Oikumena Publ. (In Russian) Spedt, A. A. and Vergeychik, P. V (2014). Evaluation of restoration rate of humus status of soils of the idle lands in the Krasnoyarsk region. Bulletin of Altai State Agricultural University, 6 (116), 48-52. (In Russian)
Striganova, B. R. (2005). Spatial variations in the functional structure of animal communities in the steppe
soils of European Russia. Povolzhsky ecological journal, (3), 268-276. The nature of the Lipetsk region and its protection. (1996). Collected works. Iss. 8. Lipetsk. (In Russian) Vorob'eva, L. A. (1998). Chemical analysis of soils. Moscow: Moscow University Press. (In Russian)
Received: October 3, 2020 Accepted: June 18, 2021
Contact information:
Anna M. Bulysheva — annie.bulysheva@gmail.com Olga S. Khokhlova — olga_004@rambler.ru Nikita O. Bakunovich — nbakunovich86@gmail.com Aleksey V. Rusakov — a.rusakov@spbu.ru Tatyana N. Myakshina — mtn59@mail.ru
