CC BY
75
ОРГАНИЧЕСКОЕ ВЕЩЕСТВО ЧЕРНОЗЕМОВ ЗАПАДНОЙ СИБИРИ И АНТРОПОГЕННЫЙ ФАКТОР
Борис Максимович Кленов
Институт почвоведения и агрохимии СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 8/2, доктор биологических наук, старший научный сотрудник; Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, доктор биологических наук, профессор кафедры экологии и природопользования, тел. 361-08-86, e-mail: klenov@issa.nsc.ru
Изменение состава гумуса и гуминовых кислот показано на примере выщелоченных черноземов в зависимости от длительности их использования в условиях неорошаемого и орошаемого земледелия.
Ключевые слова: гумус, состав гумуса, гуминовые кислоты, неорошаемое земледелие, орошаемое земледелие.
ORGANIC MATTER OF CHERNOZEMS OF WESTERN SIBERIA AND ANTHROPOGENIC FACTOR
Boris M. Klenov
Institute of Soil Science and Agrochemistry of SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, Ac. Lavrentyev st., 8/2; Siberian State Academy of Geodesy, 630108, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., leading researcher, professor, tel. (383)363-90-30, e-mail: klenov@issa.nsc.ru
The change of humus and humic acids has been shown by the example of leached chernozems of Western Siberia under conditions of dry and irrigated farming.
Key words: humus, humus composition, humic acids, dry farming, irrigated farming.
Общеизвестно, что при вовлечении почв в сельскохозяйственный оборот происходят существенные изменения как в её минеральной, так и органической составляющей. Органическая составляющая почвы, или органическое вещество, состоящее в основном из гумуса, представляет собой наиболее уязвимую часть почвы. Обладая сложной структурой и высокой химической активностью гумус в целом, и в особенности гуминовые кислоты (ГК) и фульвокислоты (ФК) реагируют на все виды антропогенного воздействия. С одной стороны, в результате распашки почвы и длительного её использования впоследствии в земледельческой практике за усиления процессов окисления происходят, как правило, существенные потери всех компонентов гумуса (дегумификация). На фоне общих потерь гумуса, которые усиливаются вместе с тем с проявлением процессов эрозии, происходят изменения в качественном составе гумуса и даже в самой природе гумусовых кислот. Таким образом, деградация гумуса может проявляться за счет дегумификации и эрозии. Этот вид деградации гумуса и почв в целом изучен наиболее полно, однако механизм потерь гумуса ещё не
раскрыт полностью. С другой стороны, деградация гумуса может иметь место и при взаимодействии его с продуктами кислотных дождей, тяжелыми металлами, радионуклидами, пестицидами и с любыми щелочными агентами. Последние, в частности, вызывая растворение гумуса, могут быть причиной вымывания его из почвенного профиля.
В одном из обзоров литературы за примерно полувековой отрезок времени [3] показано, что потери гумуса в результате длительного использования почв в земледелии бывают самые разнообразные, но, в общем, они происходят непрерывно. Значительно реже случаи накопления или сохранения органического вещества в освоенных почвах. Нижеприведенные примеры наглядно иллюстрируют как потери, так и восполнение гумуса. Коренное изменение свойств почв и значительное накопление гумуса отмечено в случае локального земледелия в таежных и тундровых районах Западной Сибири. Длительное применение высоких доз органических удобрений на бедных гумусом почвах подзолистого типа (100 т/га в течение 20 лет) привело к увеличению содержания гумуса в два-три раза. В классических опытах Ротамстедской опытной станции (Великобритания) отмечается, что при внесении в течение 120 лет 35 т/га навоза содержание органического С постепенно возрастало на протяжении всего этого периода, однако и за такой длительный отрезок и равновесный уровень не был достигнут еще [8]. Не был достигнут равновесный уровень состояния почвы и её гумуса и при 50-летней залежи на примере почв шт. Колорадо в США [10]. Общая особенность опубликованного к настоящему времени материала заключается в том, что все авторы отмечают длительное использование почв как основную причину потерь. Независимо от типовой принадлежности почвы легкого механического состава теряют гумуса больше, чем тяжелого из-за более слабой агрегированности и более высокой доступности гумуса к разложению. В связи с потерями или восполнением органического вещества небезынтересно отметить совершенно необыкновенно противоположное явление. Например, в долинах южной части горной цепи Анд на протяжении 15 столетий в почвах сохраняется обогащенный гумусом профиль мощностью от 0,3 до 1,3 м [9]. Вместе с тем хорошо известна способность орошаемых сероземов Средней Азии, давность орошения которых насчитывает несколько тысячелетий, сохранять плодородие. В этом случае при орошении почв мутными водами происходит осаждение на её поверхности ирригационного наноса, содержащего органическое вещество. Ежегодная мощность такого наноса составляет 3-3,5 мм. Тысячелетнее непрерывное орошение создало, например, в Вахшской долине и в бассейне р. Сырдарьи ирригационный нанос до 2 м, а в некоторых случаях до 4 м и более [1]. Нормированное орошение при соблюдении агротехнических требований независимо от региона обеспечивает сохранность физикохимических свойств и гумусового уровня также, например, в орошаемых степных почвах Поволжья [5] и Западной Сибири [7].
В настоящем сообщении рассматривается влияние распашки выщелоченного чернозема Новосибирского Приобья и последующего длительного его использования на потери гумуса и на изменение его качественного состава. Данный регион выбран как один из наиболее типичных в плане формирования выщелоченных черноземов и как один из наиболее изученных во многих отношениях. Использование выщелоченного чернозема в качестве объекта исследования связано с тем, что данный подтип почвы является основным почвенным фоном в лесостепной зоне Западной Сибири, где сосредоточена основная часть земледельческого фонда. Определение углерода и состава гумуса проведено по общепринятым методам [6]. В составе гумуса основное внимание было уделено ГК, поскольку они преобладают в составе гумуса на протяжении всей изученной части почвенного профиля. Вместе с тем, в группе ГК расчетным путем определена роль подвижной фракции (ГК-1) и фракции, связанной с кальцием (ГК-2), поскольку эти фракции в наибольшей степени определяют в целом активность органической почвенной компоненты и, следовательно, экологические функции почвы. Следует отметить, что все исследования проведены на фоне сравнения целинного участка с двумя участками, находящимися соответственно в условиях длительной распашки и орошения. В данном случае орошение чернозема фактически было наложено на уже значительно измененный длительным использованием в неорошаемом земледелии фон, что привело к дальнейшему расшатыванию всей системы гумусовых соединений. Первые результаты были получены ранее [3] на примере старопахотного варианта чернозема, используемого в земледелии около 100-120 лет. Кстати говоря, земледелие в Западной Сири, видимо, одно самых молодых в мире, тем не менее, возраст пашен определяется с трудом из-за отсутствия сведений об истории полей. К моменту изучения аналогичный участок использовался в условиях орошения в течение 12 лет. Через 20 лет на старопахотном и орошаемом вариантах чернозема были проведены повторные определения состава гумуса с целью выявления его изменения со временем.
Полученные объединенные данные (табл. 1) показывают, что освоение чернозема выщелоченного и последующее длительное использование его в качестве пашни привели к: 1) существенному снижению, судя по изменению величины Сгк:Сфк роли ГК в составе гумуса 2) незначительному увеличению количества ГК-2, связанных с Са. Эта фракция ГК, как известно, связана с обменным кальцием. Его количество увеличивается не только за счет усиления минерализации гумуса, но и за счет поступления его с поливной водой и в связи с активизацией процессов минерализации органического вещества и образования бикарбонатов усиливается связывание гумусовых кислот двухвалентными катионами [2]. Эта фракция ГК наиболее интересна в почвенно-генетическом плане, поскольку связанный с нею кальций определяет емкость катионного обмена и почв, и гумусовых кислот, т.е. одно из основных свойств почвы. Примечательно, что через 20 лет в условиях
неорошаемого земледелия произошло дальнейшее снижение гумусового уровня. О снижении качества гумуса свидетельствует хоть и незначительное, но уменьшение величины Сгк:Сфк на 0,1. Такое ухудшение качества гумуса при снижении его содержания ещё на 6% не представляется не столь существенным, но по сравнению с исходным состоянием, т.е. с целиной, убыль составляет уже 21%. Таким образом, потери гумуса из черноземов Западной Сибири за всю историю земледелия по настоящее время составляют не многим более 1/5 от общего исходного его содержания.
Таблица 1
Состав гумуса выщелоченных черноземов
Г лубина, см Гумус, % ГК ФК Гумин Фракции ГК, % от общего их содержания Сгк:Сфк
% от С орг. почвы ГК-1 ГК-2
Целинный участок
0-20 6,01 49,0 21,6 29,3 12 72 2,3
20-30 2,20 50,9 23,7 25,4 5 72 2,1
Старопахотный участок, примерно120-летнего использования
0-20 5,05 48,6 26,9 24,5 14 75 1,6
20-30 3,75 42,5 31,0 26,5 23 77 1,4
То же через 20 лет (140 лет общего использования)
0-20 4,76 47,3 31,5 21,2 15 73 1,5
20-30 3,86, 43,4 31,0 25,6 16 76 1,4
Орошаемый участок, 12 лет орошения, после примерно100-летнего использования в качестве пашни
0-20 4,68 45,9 30,6 23,5 10 82 1,5
20-30 3,50 44,7 34,3 21,0 7 83 1,3
То же через 20 лет (140 лет общего использования)
0-20 4,75 45,3 30,2 24,5 12 85 1,5
20-30 3,34 42,8 32,9 24,3 12 87 1,3
Необходимо заметить, что деградация гумуса, а вместе с тем и почв, под влиянием многих антропогенных факторов, в том числе и рассмотренных в данном сообщении, влияет и на природу самих составляющих гумуса, в частности гумусовых кислот. Среди последних наибольшее внимание заслуживают ГК, потому, что в большинстве автоморфных используемых в земледелии почв они являются доминирующей группой органических соединений. Недавно подтверждено, что на антропогенный пресс реагирует не только общее содержание гумуса и его качественный состав, но и сама природа составляющих гумуса. ГК являются также своеобразным индикатором масштаба антропогенной нагрузки. Основные показатели элементного состава ГК очень четко реагируют на распашку почв и на последующее орошение [4]. Изменение основных структурных показателей ГК - свидетельство деградации гумуса в целом.
В заключение следует отметить, что наиболее информативным показателем деградации гумуса и его компонентов при антропогенном воздействии на почву является соотношение основных двух групп гумусовых кислот - Сгк:Сфк. Среди этих кислот наибольшее экологическое значение имеет фракция ГК, связанная с кальцием, определяющая катионобменную способность почв.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Антипов-Каратаев И.Н. Изменение основных химических свойств главнейших почв Заволжья при орошении //Проблемы советского почвоведения. - М.; Изд-во АН СССР, 1940. - Сб. XI. - С. 117-158
2. Зайцева Т.Ф., Морозков В.К., Копосов Г.Ф., Кленов Б.М., Табаков С.И. Химические и мелиоративные свойства орошаемых черноземов Приобья // Черноземы: свойства и особенности орошения. - Новосибирск: Наука, Сиб. отд-ние, 1988. - С. 76-99
3. Кленов Б.М. Устойчивость гумуса автоморфных почв Западной Сибири. Новосибирск: Изд-во СО РАН, филиал «ГЕО», 2000. - 176 с.
4. Кленов Б. М. Элементный состав гуминовых кислот как индикатор экологической устойчивости почв // Интерэкспо ГЕ0-Сибирь-2013. IX Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Дистанционные методы зондирования Земли и фотограмметрия, мониторинг окружающей среды, геоэкология» : сб. материалов в 2 т. (Новосибирск, 15-26 апреля 2013 г.). - Новосибирск: СГГА, 2013. Т. 2. - С. 157-159.
5. Орлов Д.С., Гумусовые кислоты почв и общая теория гумификации, М., МГУ, 1990. - 326 с.
6. Орлов Д.С., Гришина Л.А. Практикум по химии гумуса. - М.: Изд-во Моск. ун-та, 1981. - 272 с.
7. Стругалева Е.В., Феско К.Я., Трофимов И.Т., Хайрулина Т.И. Влияние орошения на изменение свойств почв Алейской оросительной системы // Вопросы мелиорации земель в условиях Западной Сибири. - Новосибирск, 1976. - С. 91-96.
8. Jenkinson D.S., Rayner J.H. The turnover of soil organic matter in some Rothamsted classical experiments // Soil Sci. - 1977. - V. 123. - № 5. - P. 298-305.
9. Sander J.A., Eassh N.S. Ancient agriculture soils in the Andes of southern Peru // Soil Sci. Soc. America J. - 1995. - V. 59. - No. 1. - P. 192-194.
10. Thori T., Burke I.C., Lauenroth W.K., Coffin D.P. Effect of cultivation and abandonment of soil on soil organic matter in Northeastern Colorado // Soil Sci. Soc. America J. - 1995. - V. 59. - № 4. - P. 1112-1119.
© Б. М. Кленов, 2014
