CC BY
32
УДК 630*114.36
изменение варьирования основных морфометрических характеристик черноземов под влиянием антропогенного воздействия
Ю.И. ЧЕВЕРДИН, доктор биологических наук, зав. отделом
В.А. БЕСПАЛОВ, кандидат биологических наук, старший научный сотрудник
Т.В. ТИТОВА, кандидат биологических наук, старший научный сотрудник
Научно-исследовательский институт сельского хозяйства Центрально-Черноземной полосы имени В.В.Докучаева, квартал 5, 81, пос. 2-го участка Института им. Докучаева, Таловский р-н, Воронежская обл., 397463, Российская Федерация
E-mail: [email protected]
Резюме. Ежегодное интенсивное антропогенное влияние на почвенный покров приводит к заметному уменьшению мощности гумусового горизонта. Главные причины такого процесса -действие природных и антропогенных факторов (интенсивная обработка, применение минеральныхудобрений, недостаточное поступление корневых и пожнивных остатков). Цель наших исследований - изучение влияния антропогенного воздействия на варьирование основных морфометрических показателей черноземных почв Каменной Степи. В работе представлены материалы, характеризующие распределение основных морфометрических характеристик черноземов Каменной Степи. Показана детальная пестрота мощности гумусового горизонта на ровном ключевом участке, типичном для центральной части черноземной зоны России. Ежегодное интенсивное антропогенное влияние приводит к заметному уменьшению мощности гумусового горизонта. На пашне, введенной в эксплуатацию 20 лет назад,она уменьшилась в среднем на 11 см, за 60-летний период - на 15 см. Исследованию подвергали объекты (залежь, пашня, лесополоса), смежно расположенные на участке. Рассчитаны статистические характеристики мощности гумусового горизонта для разных подтипов черноземов. Наиболее заметно черноземы различаются по глубине появления сплошной пропитки карбонатами кальция (глубина вскипания изменяется от 1 до 95 см). Максимальные величины глубины вскипания отмечены на почвах залежи и под лесной полосой - 68 и 63 см соответственно. В результате интенсивного антропогенного влияния (обработка с оборотом пласта) она заметно уменьшается. Варьирование величины этого показателя обусловлено формой рельефа, роющей деятельностью животных, эрозионными процессами и сезонным изменением уровня грунтовых вод.
Ключевые слова: чернозем, подтипы черноземов, гумусовый горизонт, пространственное варьирование, Каменная Степь. Для цитирования: Чевердин Ю.И., Беспалов В.А., Титова Т.В. Изменение варьирования основных морфометрическиххаракте -ристик черноземов под влиянием антропогенного воздействия// Достижения науки и техникиАПК. 2015. Т.29. №10. С. 62-65.
Распашка целины вызывает значительные изменения факторов почвообразования черноземов из-за замены постоянной степной травянистой растительности на ежегодно сменяемые монокультуры агроценозов и проведения периодических разнообразных механических обработок пахотного слоя. Все это способствует развитию ряда процессов, которые приводят к изменению содержания гумуса и мощности гумусового горизонта в целом [1-3].
Определить общий характер изменения состояния черноземов по содержанию органического вещества под влиянием процессов, обусловленных использованием почвы в пашне, возможно, если взять в качестве эталона черноземы заповедных и других нераспахивае-мых участков. В этом отношении представляют интерес, прежде всего, заповедные участки Каменной Степи.
В связи с тем, что в последние годы происходит значительное сокращение размеров мониторинговых исследований, снижение их качества и уменьшение объемов получаемой информации, возросла актуальность проведения детальных наблюдений за изменением свойств черноземных почв. В первую очередь это необходимо для планирования мероприятий, способствующих повышению и сохранению исходно высокого потенциала почвенного плодородия черноземов, а также составления долгосрочных прогнозов [4].
Для проведения длительных мониторинговых исследований, изучения современного гумусного состояния назрела необходимость картографирования почвенного покрова на основе закладки отдельных ключевых участков.
Цель наших исследований - изучение пространственного варьирования основных морфометрических показателей черноземных почв Каменной Степи. Для ее достижения использовали комплекс современных полевых и аналитических методов, позволяющих дать высокоточную оценку содержания и запасов органического углерода в исследуемых вариантах черноземов. Он включает строгий учет аналитического и пространственного варьирования содержания органического углерода при оценке многолетней динамики величины этого показателя.
Условия, материалы и методы. В 2014 г. мы заложили мониторинговые участки площадью в пределах 1 га, на которых была нанесена регулярная сеть скважин ручного бурения с шагом 25 м. Каждая скважина привязана с помощью GPS. Планируется, что периодичность наблюдения за этими мониторинговыми участками составит 5; 10; 15; 25 и 50 лет. В процессе бурения устанавливали мощность генетических горизонтов, отличающихся окраской и формой выделения карбонатов кальция (тест на вскипание от 10% HCl) с целью диагностики подтипов черноземов. Образцы почв отбирали сплошной колонкой с глубины 0-20, 20-30, 30-50, 50-70, 70-100, 100-120 и 120-150 см. В качестве объектов изучения были выбраны следующие участки плоского водораздела: а) залежь косимая с 1882 г.; б) лесополоса №40; в) пашня 1952 г. распашки; г) пашня 1992 г. распашки. Лесная полоса №40 полезащитного назначения посажена Н.Я. Михайловым в 1903 г. Расположена она на плакорном водораздельном участке с севера на юг поперек нарпавления господствующих юго-восточных ветров. Общая площадь древостоя 8,80 га. Протяженность лесной полосы 746 м, ширина - 118 м. На сегодняшний день древостой представлен в основном дубом (Д), ясенем остролистным (Яо) и кленом ясенелистным (Кяс), в подлеске встречаются единично клен остролистный (Ко) - 4Д 4Яо 2Кяс, ед. Ко. Полнота древостоя составляет 0,9, высота - 17,2-27,3 м [5].
Почвенный покров мониторинговых участков представлен четырехкомпонентной пятнистостью черноземов обыкновенных, черноземов типичных, черноземов зоогенно-перерытых и черноземов выщелоченных [6].
Статистической обработке были подвергнуты следующие морфометрические показатели: глубина нижней границы переходного горизонта АВ, численно ее величина показатель совпадает с общей мощностью гумусового слоя Апах+А+АВ (см); глубина верхней границы сплошного вскипания почвы от 10%-ной HCl, характеризующей
Статистический показатель Залежь ЛП-40 Пашня 1952 г. Пашня 1992 г.
Среднее, см 78,7 73,9 64,4 67,8
Стандартная ошибка 4,3 1,6 2,6 2,7
Медиана 75 73,5 65 66,5
Мода 68 70 70 70
Стандартное отклонение 19,5 10,4 10,1 9,2
Интервал, см 80 40 42 35
Минимум, см 50 60 48 55
Максимум, см 130 100 90 90
Уровень надежности (95,0%) 8,9 3,3 5,6 5,8
Коэффициент вариации, % 24,8 14,0 15,6 13,6
Таблица 1. Статистика распределения показателя мощности гумусового немощные виды (мощность горизонта гумусового слоя до 80 см),
что отмечено многими исследователями, работавшими в Каменной Степи [10-11]. Проведенная оценка мощности генетических горизонтов под влиянием различного рода антропогенных факторов позволила установить их существенную изменчивость. Наибольшая мощность с близкими значениями отмечена в почвах залежи косимой и старовозрастной лесной полосы -в среднем соответственно 78,7 и 73,9 см.
Интенсивное антропогенное воздействие, связанное с гомогенизацией гумусового слоя в результате ежегодной обработки и снижения активности землероющих животных, отразилось на формировании почвенного покрова. В результате его влияния мощность гумусового горизонта значительно снизилась, по сравнению с залежными аналогами. Наибольшее уменьшение отмечено на пахотном участке с самым длительным сроком использования (пашня 1952 г. распашки). Мощность гумусового горизонта в этом случае составила всего 64,4 см. На участке, введенном в эксплуатацию в 1992 г., она была несколько выше - 67,8 см. Таким образом, ежегодное механическое воздействие почвообрабатывающих орудий привело к уменьшению мощности гумусового горизонта на 10,914,3 см. В целом величина этого показателя, характеризуемая глубиной нижней границы горизонта АВ, на пашне лежит в пределах 48-90 см; в лесополосе - 60-100 см. Максимум отмечен на залежи, где она достигает 130 см. На залежи зафиксирован и наибольший коэффициент вариации мощности гумусового слоя в целом - 25%, что почти в 2 раза выше, по сравнению с другими объектами.
Мы также установили количественные изменения. Статистическая обработка данных показала, что коэффициент вариации мощности гумусового горизонта у разных подтипов черноземов Каменной Степи в целом изменяется от 7 до 22% (табл. 2).
Таблица 2. Статистика распределения мощности гумусового горизонта у различных подтипов черноземов каменной Степи
появление заметного количества карбонатов кальция в профиле почвы (см).
результаты и обсуждение. Почвенный покров Каменной Степи характеризуется высоким содержанием гумуса в пахотном горизонте и мощностью гумусового слоя в целом. По данным Н.Н. Никаноровой (1953), наибольшими запасами гумуса отличались залежные участки и почвы лесных полос. В лесной полосе №40 в те годы в слое почвы 0-22 см его содержание составляло 11,9%, в слое 0-35 см залежи косимой - 12,2%, в верхнем горизонте 0-35 см пахотных участков - 9,9% [7].
Результаты наших исследований показали, что содержание гумуса в черноземных почвах Каменной Степи изменяется очень динамично как в пространстве, так и во времени. Наиболее высокой величиной этого показателя характеризовались биоценозы, находящиеся в режиме залежи, а также почвы лесных полос. Содержание гумуса в верхнем горизонте 0-20 см почвы на залежи косимой составляет 9,7%, в лесной полосе №40 - 9,0%.
Интенсивное сельскохозяйственное использование привело к заметному снижению содержания гумуса на водораздельном участке пашни в слое 0-20 см до 7,0% [8].
Под влиянием антропогенных и естественных факторов изменяется не только содержание гумуса, но и мощность гумусового горизонта в целом.
С учетом особенностей структуры почвенного покрова мы установили статистические характеристики варьирования морфометрических показателей черноземов Каменной Степи, отражающих мощность и глубину залегания границ генетических горизонтов (табл. 1).
Главные причины, вызывающие изменение мощности гумусового горизонта почвы, по нашему мнению, - усиленная минерализация органических компонентов вследствие интенсивной обработки и применения минеральных удобрений, недостаточное
поступление корневых и пожнивных остатков, а также органических удобрений. На сегодняшний день восстановить мощность гумусового горизонта в пахотных чернозёмах до уровня целины практически невозможно.
При этом особенности протекающих процессов зависят от длительности антропогенной нагрузки на почвы и интенсивности земледелия [12].
Детальными исследованиями почвенного покрова Каменной Степи была отмечена сходность диапазона изменения и средней мощности гумусового горизонта у большинства почв. Это касается близких величин медианы, минимальных и максимальных значений, а также среднего арифметического [9]. Для всех типов почв преобладают сред-
Статистический показатель I Чо Чт Чв Чзтр
Среднее, см 70,6 69,1 64,9 82,5
Стандартная ошибка 1,2 1,6 1,6 3,3
Медиана 70 70 65 88
Мода 75 60 65 90
Стандартное отклонение 4,6 7,4 8,0 17,8
Интервал, см 16 22 28 80
Минимум,см 60 58 48 50
Максимум, см 76 80 76 130
Уровень надежности (95,0%) 2,6 3,4 3,4 6,8
Коэффициент вариации, % 6,5 10,7 12,3 21,6
Можно отметить некоторые отличия изменения общей мощности гумусового слоя у разных подтипов черноземов Каменной Степи. Так, в группе черноземов обыкновенных (Чо), при среднеарифмитическом значении 70,6 см, она колеблется от 60 до 76 см; коэффициент Таблица 3. Мощность гумусового горизонта различных подтипов черноземов на объектах исследования, см
Объект исследования | Чзтр Чв Чо Чт
Залежь 104,5 63,3 73,0 75,3
Лесополоса №40 83,9 70,0 71,5 69,0
Пашня 1992 г. 76,8 60,0 68,5 62,3
Пашня 1952 г. 66,9 61,8 60,0 -
Таблица 4. Статистические показатели распределения глубины вскипания
Статистический показатель Залежь ЛП-40 Пашня 1952 г. Пашня 1992 г.
Среднее, см 68 63,3 53,7 53,9
Стандартная ошибка 3,8 3,0 6,4 6,2
Медиана 75 70 50 62,5
Мода 85 70 30 70
Стандартное отклонение 17,4 19,0 24,9 21,3
Интервал, см 57 75 75 74
Минимум, см 30 20 20 1
Максимум, см 87 95 95 75
Уровень надежности (95,0%) 7,9 6,1 13,8 13,6
Коэффициент вариации, % 25,6 30,0 46,4 39,6
вариации минимален, по сравнению с другими выделенными подтипами черноземов, и равен 7%. Черноземы типичные (Чт) имеют близкую к черноземам обыкновенным среднюю мощность гумусового слоя - 69,1 см, ее минимальные и максимальные значения также мало отличаются и варьируют от 58 до 80 см.
Черноземы выщелоченные (Чв) отличались меньшими величинами минимальных показателей. Следствием этого стала меньшая средняя мощность гумусового горизонта, по сравнению с черноземами обыкновенным (Чо) и типичным (Чт). В среднем гумусовый слой чернозема выщелоченного (Чв) характеризовался мощностью 65 см.
Наиболее высокая мощность (Апах+А+АВ) характерна для зоогенно-перерытых черноземов (Чзтр) - до 130 см. Максимальным среди изученных у них был и коэффициент вариации - 22%. Более высокие значения обусловлены перемешиванием материала генетических горизонтов [9].
Расчет средней мощности гумусового горизонта в зависимости от характера использования угодий показал, что наибольшая ее величина для большинства подтипов черноземов отмечена на залежи (табл. 3), за исключением выщелоченного чернозема (Чв), максимум для которого установлен в лесной полосе. Это связано с более интенсивным промывным режимом почвы в полосе, по сравнению с залежью, в результате чего гумусовый горизонт растягивается вниз по профилю. В отношении пашни можно отметить, что в первые годы после распашки сохраняется довольно мощный гумусовый горизонт (данные по пашне 1992 г. распашки). Интенсивное сельскохозяйственное использование в течение длительного времени ведет к его заметному уменьшению. Особенно это характерно для группы черноземов обыкновенных (Чо) и черноземов типичных (Чт).
Почти для всех почв Каменной Степи характерен более или менее одинаковый
диапазон изменения мощности гумусового слоя в целом (Апах+А+АВ), свойственный для среднемощных видов (40-80 см). Исключение составляют перерытые черноземы, которые в некоторых случаях можно отнести к мощным. При сопоставлении средних величин нижней границы горизонта АВ получены достоверные (по t-критерию Стъюдента) отличия величины этого показателя на пашне (W =2,83>та6. =2,04) и ЛП-40 (W =5,53>та6. =2,04Х по сравнению с косимой залежью.
Черноземы Каменной Степи наиболее ярко отличаются по глубине верхней границы появления карбонатов кальция (линии вскипания от HCl).
Минимальные среднестатистические величины глубины вскипания отмечены на пахотных почвах, максимальные - на залежи косимой (табл 4). Уменьшение глубины вскипания при ежегодной обработке почвы с оборотом пласта связано с изменением водного режима, перемешиванием гумусового и верхней части аккумулятивно-карбонатного горизонта.
рисунок. Картосхемы мощности гумусового горизонта, см: а) залежь косимая; б) лесополоса №40; в) пашня 1952 г. распашки; г) пашня 1992 г. распашки
Коэффициент вариации глубины вскипания для объектов исследования изменялся от 26 до 46%. Причем максимальным он оказался на пашне, а минимальным -на залежи. В численных значениях глубина вскипания колебалась от 1 до 95 см. Варьирование величины этого показателя обусловлено формой рельефа, роющей деятельностью животных, эрозионными процессами и сезонным изменением уровня грунтовых вод.
Для того, чтобы получить локализацию участков с разной мощностью гумусового горизонта, на основе морфологического описания были построены картосхемы распределения в пространстве нижней границы горизонта АВ (см. рисунок).
Различия мощности гумусового горизонта соответствуют особенностям СПП и влиянию микрорельефа участков. Из рисунка видно, что зоны с разной величиной этого показателя имеют определенную структуру. Так, на залежи косимой ареалы с максимальной мощностью расположены практически по всему объекту. В лесополосе они локализованы в центральной части. На пашне 1952 и 1992 гг. распашки подобные ареалы присутствуют лишь в некоторых местах.
Подобные картосхемы помогут дать рекомендации по оптимальному использованию участков пашни путем направленной корректировки внесения удобрений и гербицидов, что в конечном итоге скажется на эко-
номической эффективности использования угодий в сельскохозяйственном производстве.
выводы. Таким образом, увеличение длительности антропогенного использования черноземов приводит к существенному снижению гумусового потенциала почв с одновременным сокращением пространственного варьирования мощности гумусового слоя, обусловленного гомогенизацией пахотного горизонта. Ежегодное механическое перемешивание верхнего обрабатываемого слоя почвы снижает пестроту почвенного плодородия.
Черноземы Каменной Степи характеризуются значительным пространственным варьированием таких основных морфометрических показателей почвенного плодородия, как мощность гумусового горизонта и глубина вскипания. Наиболее заметно они различаются по глубине появления сплошной пропитки карбонатами кальция (глубина вскипания изменяется от 1 до 95 см). Наибольшая глубина вскипания отмечена на почвах залежи и под лесной полосой. В результате интенсивного антропогенного влияния (обработка с оборотом пласта) она заметно уменьшается.
Полученные данные могут служит основой для составления электронных карт мощности гумусового горизонта и других показателей почвенного плодородия с применением современных информационных технологий для разработки систем точного земледелия.
Литература.
1. Адерихин П.Г. Изменение черноземных почв при использовании их в сельском хозяйстве // Черноземы ЦЧО и их плодородие: Сб. науч. тр. М.: Наука, 1964. С. 61-89.
2. Гумусовое состояние черноземов / Г.Я. Чесняк, Ф.Я. Гаврилюк, И.А. Крупеников, Н.И. Лактионов, И.И. Шилихина // Русский чернозем - 100 лет после Докучаева. М.: Наука, 1983. С. 186-198.
3. Когут Б.М. Трансформация гумусового состояния черноземов при их сельскохозяйственном использовании// Почвоведение. 1998. №7. С. 794-805.
4. Беспалов В.А. Пространственно-временное варьирование основных показателей плодородия черноземов Каменной Степи: автореф. дис.... канд. биол. наук. М., 2012. 24 с.
5. Создание долговечных защитных насаждений в условиях юго-востока ЦЧП / В.С. Вавин, В.Т. Рымарь, А.Г. Ахтямов, Л.Т. Свиридов. Воронеж: ФГУ «Воронежский ЦНТИ», 2007. 240 с.
6. Хитров Н.Б. Структура почвенного покрова Каменной Степи // Разнообразие почв Каменной Степи: науч. тр. М.: Почв. ин-т им. В.В. Докучаева, 2009. С. 41-71.
7. Никанорова Н.Н. Естественно-исторические условия Каменной Степи и характеристика основных почвенных разностей // Вопросы травопольной системы земледелия. М.: АН СССР, 1953. Т. 2. С. 55-204.
8. Чевердин Ю.И. Изменения свойств почв юго-востока Центрального Черноземья под влиянием антропогенного воздействия: монография. Воронеж: Изд-во «Истоки», 2013. 335 с.
9. Варьирование морфометрических характеристик почв Каменной Степи / Н.Б. Хитров, М.В. Ельцов, Л.В. Роговнева, Ю.И. Чевердин//Разнообразие почв Каменной Степи: научн. тр. Почвенного института им. В.В. Докучаева. 2009. С. 72-91.
10. Тумин Г.М. Влияние лесных полос на почву в Каменной Степи. Воронеж: Коммуна, 1930. 40 с.
11. Адерихин П.Г., Ковалев И.И., Кульчицкая Л.И. Почвы опытных полей Института им. Докучаева Таловского района Воронежской области и рекомендации по их использованию. Воронеж: ВГУ, 1984. 70 с.
12. Чевердин Ю.И., Дорохин И.Н. Показатели эффективного плодородия черноземных почв в зависимости от длительности антропогенной нагрузки//Разнообразие почв Каменной Степи: науч. тр. М.: Почв. ин-т им. В.В. Докучаева, 2009. С. 362-378.
change of variation of the main morphometric characteristics
of chernozems under the influence of anthropogenic impact
Yu.I. Cheverdin, V.A. Bespalov, T.V. Titova
Scientific Research Institute of Agriculture Central Chernozem Zone named after V.V. Dokuchaev, pos. Instituta named Dokuchaev, Talovsky r-n, Voronezhskaya obl., 397463, Russian Federation
Summary. Annual intensive anthropogenic impact on a soil cover leads to the appreciable reduction of the thickness of the humus horizon. The main reasons of this process are actions of natural and anthropogenic factors: intensive cultivation, application of the mineral fertilizers, insufficient input of root and stubbly residues. The purpose of our researches was to study the influence of anthropogenic influence on a variation of the main morphometric characteristics of chernozem soils of Kamennaya Steppe. The article presents the materials, characterizing the distribution of the main morphometric characteristics of chernozems of Kamennaya Steppe. It is shown the detailed diversity of humus horizon thickness on the flat key plot, typical for the central part of the chernozem zone of Russia. Annual intensive anthropogenic influence leads to the appreciable reduction of the thickness of the humus horizon. On an arable soil, put into operation 20 years ago, the thickness of the humus horizon decreased on the average by 11 cm, for a 60-year period-by 15 cm. The objects (fallow land, arable land, forest belt), adjacently located on the given plot, were exposed to the research. Statistical characteristics of the thickness of the humus horizon for various subtypes of chernozems are calculated. Chernozems differ most considerably with the depth of continuous impregnation of calcium carbonates (depth of boiling up changes from 1 to 95 cm). The maximum values of boiling depths are noted on soils of fallow and under the forest belt, 68 and 63 cm, correspondingly. As a result of the intensive anthropogenic influence (cultivation with soil overturning) this value decreases noticeably. The variation of this indicator is caused by the form of the relief, digging activity of animals, erosive processes and seasonal change of level of ground waters. Key words: chernozem, subtypes of chernozems, humus horizon, spatial variation, Kamennaya Steppe.
Author Details: Yu.I. Cheverdin, D.Sc. (Biol.), head of division; V.A. Bespalov, Cand. Sc. (Biol.), senior research fellow (e-mail: [email protected]); T.V. Titova, Cand. Sc. (Biol.), senior research fellow
For citation: Cheverdin Yu.I., Bespalov V.A., Titova T.V. Change of Variation of the Main Morphometric Characteristics of Chernozems under the Influence of Anthropogenic Impact. Dostizheniya nauki i tekhnikiAPK. 2015. V.29. No 10. pp. 62-65 (In Russ)
