CC BY
24
УДК 574+631.43
качественный анализ агрегатного состояния черноземов под травами естественных и сельскохозяйственных экосистем
© Я.Т. Суюндуков,
доктор биологических наук, член-корреспондент АН РБ, директор,
Институт региональных исследований Республики Башкортостан, ул. Кутузова, 1,
453830, г. Сибай, Российская Федерация, эл. почта: [email protected]
© Р.Ф. Жасанова,
кандидат биологических наук, заведующая лабораторией, Институт региональных исследований Республики Башкортостан, ул. Цеткин, 2,
453830, г. Сибай, Российская Федерация, эл. почта: [email protected]
Комплексное исследование свойств структурных агрегатов разных размеров в условиях степного Зауралья Республики Башкортостан показало, что почвы под естественной растительностью характеризуются высокой оструктуренностью, обладают хорошей водопрочностью, которые снижаются вдоль градиента север-юг от черноземов выщелоченных к обыкновенным и, далее, южным. В пределах пахотного слоя 0-30 см содержание агрономически ценных агрегатов (10-0,25мм) под травами во всех подтипах чернозема высокое и оценивается по шкале С.И. Долгова и П.У. Бахтина как «хорошее», под яровой пшеницей в черноземах выщелоченном и южном - «удовлетворительное», в черноземе обыкновенном - «неудовлетворительное». Выявлена обратная зависимость водопроч-ности агрегатов от их размеров. Уменьшение величины агрегатов сопровождается увеличением содержания в них физической глины и общего гумуса, которые способствуют повышению водопрочности. В структурных агрегатах отмечена тесная прямая корреляция между общим гумусом и содержанием кальция (г = 0,86) и магния (г = 0,81).
Максимальное число таксонов цианобактериально-водорос-левых ценозов под злаковыми травами обнаружено в агрегатах размером 1-2 мм, под бобовыми - в агрегатах 0,5-1 мм. Наиболее многочислен отдел СЫогор1ту1"о, включающий 22 видовых и внутривидовых таксона, далее следует Суопоргокогуо1о - 10 таксонов. Виды, относящиеся к желтозеленым и диатомеям, обнаружены во фракциях 1-2 и 2-3 мм. Выявлена положительная корреляционная зависимость содержания общего гумуса и видового разнообразия альгофлоры с во-допрочностью агрегатов, а также между числом видов цианопрока-риот и содержанием агрегатов размером 5-1 мм, способствующих созданию условий, благоприятных для роста и развития растений и цианопрокариот.
Ключевые слова: почвенные агрегаты, водопрочность, гранулометрический состав, общий гумус, цианобактериаль-но-водорослевые ценозы, агроэкосистемы, агроценозы, чернозем, таксоны, растительные сообщества
© Ya.T. Suyundukov1, R.F. Khasanova2
qualitative analysis of the aggregate state of chernozems under grass natural and agricultural ecosystems
A comprehensive study on the properties of different-sized structural aggregates in the steppe Trans-Urals of Bashkortostan showed that soils under natural vegetation are highly structured and have good water resistance reduced along the north-south gradient from leached to ordinary chernozems and further to southern ones. Within the ploughed layer (0-30 cm) of the arable soils, the content of agronomically valuable aggregates (10-0.25 mm) is high under grass in all chernozem subtypes and, according to the Dolgov-Bakhtin scale, can be assessed as «good», under spring wheat in leached and southern chernozem as «satisfactory» and in ordinary chernozems as «unsatisfactory». An inverse relationship was found between water-resistant aggregates and their sizes. The reduction in the sizes of the aggregates is accompanied by an increase in the content of physical clay and total humus that are conducive to improved water resistance. The structural aggregates show positive correlation between total humus and calcium (r = 0.86) and magnesium (r = 0.81) contents.
The highest number of taxa in the cyanobacterial-algal cenoses was found in 1-2 mm aggregates under grass and in 0.5-1 mm aggregates under legumes. The most numerous division includes Chlorophyta with 22 specific and intraspecific taxa followed by Cyanoprokaryota with 10 taxa. Species relating to yellow-green algae and diatoms are found in
ВЕСТНИК АКАДЕМИИ НАУК РБ/
/2016, том 21, № 1 (81) llllllllllllllllllllllllllllllllllllllllllllllllllllllllllll
1 Institute of Regional Research of the Republic of Bashkortostan
1, ulitsa Kutuzova, 453830, Sibay, Russian Federation,
e-mail: [email protected]
institute of Regional Research of the Republic of Bashkortostan
2, ulitsa Zetkin, 453830, Sibay, Russian Federation,
e-mail: [email protected]
1-2 and 2-3 mm fractions. A positive correlation was revealed between the total humus content and species diversity of the algal flora and water resistance of the aggregates, and also between the number of cyano-prokaryotic species and the content of 5-1 mm aggregates that contribute to the creation of conditions favourable to the growth and development of plants and cyanoprokaryotes.
Key words: soil aggregates, water resistance, particle-size distribution, total humus, cyanobacterial-algal cenoses, agricultural, agrocenoses, taxa, plant communities
Структура почвы и ее экологические функции. Многие свойства и режимы почв тесно связаны со структурой, которая в значительной степени определяет уровень их плодородия. Водоустойчивая зернистая, орехова-тая, зернисто-комковатая структура верхних почвенных горизонтов является наиболее ценной и обеспечивает экологически благоприятное сочетание свойств и режимов почвы для оптимального развития почвенной биоты, корневой системы растений. Качество и состав структуры определяются комплексом экологических факторов, важнейшими из которых являются живые организмы, прежде всего сосудистые растения и микроорганизмы.
Структура является важнейшим условием плодородия почвы. Придавая ей огромное значение, исследователи с древних времен отмечали особую необходимость ее поддержания путем внесения навоза и посевов смеси трав (М.П. Катон, 234—149 гг. до н.э.), введения многопольных севооборотов и травосеяния (А.Т. Болотов, 1738-1833 гг.) [1]. В.В. Докучаев связывал восстановление плодородия чернозема прежде всего с «возвращением» ему структуры девственных степей [2]. Прочная зернистая структура черноземов и высокий уровень перегноя обязаны своим происхождением многолетней травянистой растительности и микроорганизмам [3; 4], которые «производят» первичную биологическую продукцию и синтезируют гумус, способствующий «склеиванию» частиц и образованию комковато-зернистой структуры [5; 6].
Обобщая работы классиков почвоведения и исследования более поздних авторов [7-10], можно выделить следующие основные экологические функции структуры в обеспечении плодородия почвы:
- способствуя оптимальному сложению верхнего слоя почвы, структура создает благоприятные условия для развития корневой системы растений, для жизнедеятельности всей почвенной биоты;
...............ВЕСТНИК АКАДЕМИИ НАУК РБ
— водопрочная комковато-зернистая структура благодаря равномерному крошению способствует повышению качества обработки почвы, а также энерго- и ресурсосбережению ввиду снижения связности почвы и, следовательно, тягового сопротивления почвообрабатывающим орудиям;
— благодаря достаточно большому объему некапиллярных пор, в структурных почвах складывается благоприятный водно-воздушный режим, что способствует сохранению и экономному расходу влаги, а также предотвращению развития процессов засоления;
— структура почвы обеспечивает хорошую водопроницаемость и влагоемкость, в результате улучшается впитывание и удерживание воды, исключается поверхностный сток и смыв почвы;
— комковато-зернистая структура способствует противостоянию почвы от дефляции.
Целью наших исследований было изучение влияния трав-фитомелиорантов на состав и свойства почвенных агрегатов в условиях Зауралья Республики Башкортостан.
Объекты и методы исследования. Объектами исследований явились наиболее распространенные в Зауралье подтипы чернозема — выщелоченный, обыкновенный и южный, представляющие зональный ряд с севера на юг региона. Свойства почвы изучались под сеяными травами (кострец безостый (Bromop-sis inermis Leys.), люцерна синегибридная (Medicago sativa L.), эспарцет песчаный (Ono-brychis sibirica Turcz. ex Grossh.^, козлятник восточный (Galega orientalis Lam.), донник желтый (Melilotus officinalis L.)), травами естественных степей (овсяница ложноовечья (Festuca pseudovina L.), пырей ползучий (Ely-trigia repens L.), житняк гребневидный (Agropy-ronpectinatum (Bieb.) Beauv.), ковыли: к. перистый (Stipa pennata L.) на черноземе выщелоченном, к. Залесского (S. zalesskii Wilenski) — на обыкновенном, к. Лессинга (S. Lessingiana
D16, том 21, № 1 (81) IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII..............
Trin. et Rupr.) — на южном)). В качестве контроля рассматривались почвы под зерновыми культурами: озимой рожью (Secale ceriale L.) и яровой пшеницей (Triticum aestivum L.).
Пробные площадки закладывались на выровненных участках с однородным почвенным покровом. Структурно-агрегатный состав почвы определяли методом качания сит по Н.И. Саввинову, для сравнения водопроч-ность агрегатов — методом А.П. Андрианова. Гранулометрический анализ образцов почвы проводился по Н.А. Качинскому, агроэколо-гическая оценка структурного состояния почв — по шкале С.И. Долгова и П.У. Бахтина [11]. Общий гумус определяли по ГОСТ 26213-91 [12].
Для изучения почвенных цианобакте-риально-водорослевых ценозов использовали метод чашечных культур со стеклами обрастания, жидкие культуральные и агаризованные среды [13]. Видовая идентификация проводилась по классическим определителям [14, 15]. Обилие видов ЦВЦ оценивалось по 3-балльной системе [16]. Характеристику ЦВЦ осуществляли по следующим показателям: видовой состав, доминантные и специфические
виды, встречаемость в пробах [13]. Для количественного учета почвенных ЦВЦ использовали метод культурального подсчета по таблице Мак—Креди [17].
Результаты исследований. Изучение структурного состояния почвы под разными видами трав проводились в градиенте север-юг на названных выше зональных подтипах чернозема (табл. 1).
Показано, что во всех подтипах чернозема в слое 0-30 см содержание агрономически ценных агрегатов (10-0,25мм) под травами в целом высокое, и структурное состояние оценивается по шкале С.И. Долгова и П.У. Бахтина как «хорошее». Под озимой рожью оно также достаточно высокое и оценивается на «хорошее», в то время как под яровой пшеницей значительно ниже: в черноземах выщелоченном и южном - «удовлетворительное», в черноземе обыкновенном — «неудовлетворительное».
Структурный анализ показал, что максимальное количество агрегатов размером 5—1 мм, которых В.А. Ковда [18] относил к числу наиболее ценных, отмечено под травами естественных сообществ, наименьшее —
Таблица 1 - Влияние разных растительных сообществ на структурно-агрегатный состав черноземов Зауралья
Варианты Подтипы чернозема Сухое просеивание Мокрое просеивание Оценка структурного состояния по шкале С.И. Долгова и П.У. Бахтина
размеры агрегатов (мм), их содержание (%)
10-0,25 более 0,25
Естественная растительность ЧВ 76,7 72,1 хорошее1 отличное2
ЧО 62,4 86,1 хорошее отличное
ЧЮ 74,5 69,6 хорошее хорошее
Сеяные травы ЧВ 74,9 77,1 хорошее отличное
ЧО 74,2 76,3 хорошее отличное
ЧЮ 74,8 59,62 хорошее хорошее
Зерновые культуры ЧВ 74,4* 56,5 73,0 61,7 хорошее/ отличное удовлет./ хорошее
ЧО 62,7 31,4 55,1 48,4 хорошее/хорошее неудовлет./удовлет
ЧЮ 73,2 53,6 52,4 35,3 хорошее/удовлет. удовлет./неудовлет
Примечания —
1 Чернозем: ЧВ — выщелоченный, ЧО — обыкновенный, ЧЮ — южный;
2 по результатам сухого просеивания, 2— по результатам мокрого просеивания;
3 * — в числителе показатели озимой ржи, в знаменателе — яровой пшеницы.
ВЕСТНИК АКАДЕМИИ НАУК РБ/
/ 2016, том 21, № 1 (81) IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII
под пшеницей и сеяными бобовыми. Этот показатель коррелирует с корневой массой растений (г=0,45). Доля глыбистой фракции (более 10 мм), являющейся показателем ухудшения структуры, наоборот, выше во всех подтипах чернозема под яровой пшеницей, что связано с формированием данной культурой относительно небольшой корневой массы.
Показателем устойчивости почвы против разрушения является водопрочность структуры, которая определяется степенью гумусированности [19] агрегатов и в значительной степени зависит от произрастающих растений.
Результаты мокрого просеивания по Н.И. Саввинову показали, что наименьшая водопрочность характерна для агрегатов почвы под яровой пшеницей. Отмечена четкая закономерность уменьшения водопрочности агрегатов под сеяными травами и зерновыми культурами вдоль градиента север—юг от чернозема выщелоченного к обыкновенному и южному. Под сеяными травами она также минимальна в черноземе южном (69,6%), однако имеет наибольшее значение (86,1%) в черноземе обыкновенном. Чернозем выщелоченный занимает промежуточное положение (72,1%).
Отмечено, что в черноземе выщелоченном водопрочность агрегатов под озимой рожью находится на уровне показателей почв под многолетними травами естественных сообществ и сеяными травами. В черноземах обыкновенном и южном она занимает промежуточное положение между показателями сеяных трав и яровой пшеницы.
Агроэкологическая оценка структурного состояния черноземов по шкале С.И. Долгова и П.У. Бахтина в целом показала, что в градиенте север—юг от чернозема выщелоченного к обыкновенному, и, далее, к южному, наблюдается закономерное его ухудшение. Под естественной растительностью и сеяными травами оно находится на одинаковом уровне, далее в порядке убывания показателей оценки следуют озимая рожь и яровая пшеница.
Определение водопрочности по А.П. Андрианову позволяет оценивать и сравнивать качество почвенных комков разных размеров (см. рис. 1).
Из рисунка видно, что во всех подтипах чернозема водопрочность структуры под многолетними травами из естественных сообществ наивысшая, далее в убывающей последовательности следует почва под сеяными травами и зерновыми культурами. Кроме того, отмечена четко выраженная обратная зависимость водо-прочности агрегатов от их размеров, характерная для всех подтипов почв. Выявленная методом Н.И. Саввинова тенденция снижения водопрочности структуры вдоль градиента север—юг подтверждается данными анализа по методу А.П. Андрианова для почв под всеми видами изученных групп растений. Следует отметить, что ввиду высокой структурообразующей эффективности трав естественных сообществ, водопрочность агрегатов под ними почти одинаково высока во всех подтипах чернозема.
В структурообразовании и процессе формирования водопрочных агрегатов одну из наиболее важных ролей играет гумус [20; 3; 5; 21]. Наши исследования на черноземе
100,00 -1 95,60
| 40,00-
0,00
травы естественных сообществ
Чю
зерновые культуры
Рис. 1. Водопрочность структурных агрегатов в слое 0-30 см в черноземах Зауралья (метод А.П. Андрианова)
...............ВЕСТНИК АКАДЕМИИ НАУК РБ /
/21
3+2 2+1 1+0,5 0,5+0,25 <0,25 Фракции агрегатов, мм
Рис. 2. Зависимость содержания гумуса от размеров структурных агрегатов чернозема обыкновенного (А - под травами естественных сообществ, Б - под сеяными травами, В - под яровыми зерновыми культурами)
2016, том 21, № 1 (81)
обыкновенном показали, что с уменьшением размеров почвенных агрегатов до 5 мм содержание в них общего гумуса несколько уменьшается, а далее — увеличивается (см. рис. 2). Отмечена средняя корреляционная зависимость содержания общего гумуса с водопроч-ностью агрегатов (г=0,48).
Наряду с гумусом, большое значение в создании почвенной структуры и ее водо-прочности имеют катионы кальция и магния, которые в большом количестве содержатся в почвенно-поглощающем комплексе (ППК) черноземов [22]. Ионы кальция и магния в ППК почвы образуют хорошо выраженную микроструктуру, а для образования же макроструктуры необходимо органическое вещество.
По данным наших исследований, сумма поглощенных оснований в слое 0—30 см почвы под многолетними травами в среднем составило 60,7±3,3 мг.—экв./100 г почвы с колебаниями от 58,1 до 68,4 мг.экв./100г почвы во фракциях структуры разных размеров. Среднее содержание кальция в составе ППК составило 25,7±2,0. По мере уменьшения величины агрегатов от глыбистых до фракции 3—2 мм отмечено постепенное снижение содержания кальция, а при дальнейшем уменьшении размера агрегатов — некоторое повышение.
Содержание магния в слое 0—30 см составило под многолетними травами 3,8±0,2 мг.—экв./100г почвы. При этом какой—либо четко выраженной зависимости содержания магния от размеров агрегатов не отмечено. Статистический анализ выявил среднюю степень корреляционной связи между содержанием магния и водо-прочностью агрегатов под травами (г=0,44).
Исследования показали наличие тесной прямой корреляции между содержанием гумуса и кальция, а также гумуса и магния в структурных агрегатах разных размеров. Коэффициенты корреляции (г) составили соответственно 0,86 и 0,81. Более тесная корреляционная зависимость (г=0,90) отмечена между содержанием гумуса и суммарным содержанием кальция и магния (см. рис. 3).
Для более детального изучения почвенных агрегатов нами
1-0,5 0,5-0,25 <0,25
Размеры агрегатов, мм
Рис. 3. Содержание катионов Са + Мд (□) и общего гумуса (♦) в почве под травами
проводился также и гранулометрический анализ отдельных фракций структуры чернозема обыкновенного (см. рис. 4).
Из рисунка очевидно, что содержание каменистой фракции (>3 мм) имеет четкую тенденцию к снижению по мере уменьшения размера агрегатов. Изменение содержания гравия (3—1 мм) имеет нелинейный характер: по мере уменьшения размера агрегатов от >10 до 5—3 мм оно снижается, затем в агрегатах размерами 3—2 и 2—1 — возрастает. Содержание крупного и среднего песка (1—0,25 мм) гранулометрического состава в структурных агрегатах >0,25 мм имеет такую же общую тенденцию снижения, затем, в агрегатах крупнее 2 мм — постепенного повышения.
Количество мелкого песка (0,25— 0,05 мм) постепенно увеличивается по мере уменьшения размера агрегатов. Содержание крупной пыли (0,05—0,01 мм) имеет общую тенденцию увеличения по мере уменьшения размера агрегатов до фракции 3—2 мм, затем —
Механические элементы, мм
□ <0.001
Ш 0,005-0,001
0 0.01-0.005
0 0,05-0,01
■ 0.25-0.05 В 1-0.25
□ 3-1 мм
■ >3 мм
0,5-0,25 <0,25
Размеры агрегатов, мм
Рис. 4. Гранулометрический состав агрегатов чернозема обыкновенного под многолетними травами
ВЕСТНИК АКАДЕМИИ НАУК РБ/
/2
2016, том 21, № 1 (81)
снижения. В агрегатах размером <0,25 мм крупная пыль вновь несколько повышается.
По содержанию средней (0,01—0,005 мм) пыли гранулометрического состава в структурных агрегатах какой-либо ясно выраженной тенденции изменения в зависимости от размера агрегатов не отмечено. Количество мелкой пыли (0,005—0,001 мм) в агрегатах крупнее 3 мм снижается по мере уменьшения размера агрегатов. Во всех агрегатах менее 3 мм оно практически одинаково. По содержанию ила (<0,001 мм) в зависимости от размера агрегатов какой-либо зависимости не отмечено.
Агрофизические и агрохимические свойства почв обусловливают формирование среды и условий обитания почвенной биоты, что находит отражение в численности и видовом составе организмов. В связи с этим нами проводились исследования по выявлению численности и состава цианобактериально-во-дорослевых ценозов (ЦВЦ) в почвенных агрегатах разной величины. Согласно Э.А. Шти-ной и М.М. Голлербах [13], в естественных ценозах агроэкосистем развитие альгоценозов зависит преимущественно от почвенно-кли-матических условий и ценотических особенностей сообществ высших растений. В агро-ценозах под влиянием смены растений и агротехнических воздействий состав почвенных водорослей претерпевает существенные изменения.
Исследованиями выявлено наличие водорослей во всех изученных фракциях структуры. Наибольшее число таксонов цианопро-кариот и водорослей (15 видов) выявлено в агрегатах размером 0,5—1 мм, наименьшее (7 видов) — в агрегатах размером более 10 мм. Максимальное число таксонов под злаковыми травами (8 видов) обнаружено в агрегатах размером 1—2 мм, под бобовыми (10 видов) — в агрегатах 0,5—1 мм. Наиболее многочислен отдел Chlorophyta, включающий 22 видовых и внутривидовых таксона, далее следует Cyanoprokaryota — 10 таксонов. Отметим, что виды, относящиеся к желтозеленым и диато-меям, обнаружены во фракциях 1—2 и 2—3 мм.
Анализ встречаемости того или иного вида в почвенных агрегатах под высшими растениями показал, что наибольшая встречаемость характерна для представителей отдела цианопрокариот, которые благодаря морфологическим, физиологическим и биохимическим свойствам, хорошо переносят неблаго...............ВЕСТНИК АКАДЕМИИ НАУК РБ
приятные условия. Известно, что цианопро-кариоты играют важную роль в повышении противоэрозионной устойчивости почв, которая сводится, во-первых, к гранулометрическому скреплению почвенных частиц нитчатыми формами и склеиванию их за счет слизистых веществ, во-вторых, к закреплению почвенной влаги [23]. По-видимому, их вклад заключается в поддержании стабильности почв исследованных агроэкосистем. Отдел зеленые водоросли представлен 22 видами, преимущественно представителями порядков Chlorococcales и Chlorosarcinales, которые отличаются лабильностью питания и стойкостью протопласта [16].
Большинство таксонов отмечено единично в почвенных агрегатах, однако, для Leptolyngbya boryana встречаемость превышает 50%. Это представитель цианопрокариот, обладающий ксероморфной структурой. Сквозными видами, встречающимися в агрегатах всех размеров, явились Leptolyngbya boryana, Nostoc \inkia и Anabaena ^тМШ, которые играют огромную роль в оструктуривании почвы и противодействуют микроэрозионным процессам, оплетая почвенные частицы в агрегаты.
Выявлена положительная корреляционная зависимость числа таксонов ЦВЦ с содержанием водопрочных агрегатов (г=0,71), а также достоверная тесная корреляция между числом видов цианопрокариот и содержанием агрегатов размером 5—1 мм (г = 0,89). Эти агрегаты способствуют оптимальному сложению почв, благоприятному для растений [18], и, по-видимому, являются лучшими и для развития цианопрокариот.
Корреляционный анализ содержания фракций гранулометрического состава с перечисленными свойствами показал, что крупные фракции гранулометрического состава — камни (>3 мм) и гравий (3—1 мм), отрицательно коррелируют с водопрочностью агрегатов (г=—0,9 и —0,4 соответственно), содержанием общего гумуса (г=—0,5 и —0,8), с числом таксонов ЦВЦ (г=—0,6) в агрегатах. Содержание песка, пыли и ила, наоборот, оказывают положительное влияние на водопрочность, гумус и ЦВЦ.
Выводы. Таким образом, комплексное изучение свойств структурных агрегатов разных размеров показало, что почвы под естественной растительностью характеризуются
316, том 21, № 1 (81) .....................................................Ей
21, № 1 (81)
