CC BY
351
СОДЕРЖАНИЕ ГУМУСА И СТРУКТУРНОЕ СОСТОЯНИЕ ЧЕРНОЗЕМОВ ТИПИЧНЫХ
ЛЕСОСТЕПИ УКРАИНЫ
В.В. Дегтярев, О.С. Панасенко, В.Н. Недбаев
Аннотация. Исследован структурно-агрегатный состав и гумусовое состояние черноземов типичных среднесуглинистых Лесостепи Украины. Установлено, что распахивание черноземов приводит к ухудшению структурного состояния и снижает водостойкость структуры по сравнению с черноземами естественных экосистем. Особое влияние на структуру черноземов осуществляет древесная растительность.
В отличие от структуры пахотных почв, более крупные структурные агрегаты целинных черноземов и под лесополосой характеризуются большим содержимым общего гумуса. Содержание пассивного гумуса во всех структурных агрегатах целины, под залежью и в почве под лесополосой существенно превышает количество активного гумуса. Распахивание уменьшает общее количество гумуса, но содержание активного гумуса в почве больше.
Ключевые слова: чернозем типичный, структура, гумус, структурный агрегат.
Длительное интенсивное использование сельскохозяйственных земель Лесостепи Украины приводит к деградации агроэкосистем, и особенно распахиваемых почв. Происходит дегумификация и общее ухудшение комплекса агрофизических свойств ценных зональных почв - черноземов, что ведет к уменьшению содержания гумусовых веществ, разрушению структурных агрегатов почвы, ее уплотнению и развитию эрозийных процессов. В результате этого снижается общая биологическая производительность агроэкосистем. В то же время, процессы возобновления оптимальных свойств почв происходят очень медленно. Одной из необходимых мер относительно реабилитации деградированных почв есть, прежде всего, возобновление их структурного и гумусового состояния.
Сущность и значение почвенной структуры впервые были раскрыты Шумахером. Он впервые употребил в современном значении слово структура и дал ей морфологическую характеристику. В работах П.А. Костычева отмечалось большое значение структуры в формировании агрономических свойств почвы. Им было предложено классифицировать структуру почвы как водопрочную (агрономически ценную) и не водопрочную [1].
Вильямс В.Р. писал: "Максимального выражения факторы плодородия - вода и питательные элементы, достигают только в хорошо оструктуренной почве. Структурная почва - это тот культурный фон земледелия, на который налагаются все другие агротехнические мероприятия растениеводства”[2]. Он наиболее детально исследовал роль структуры в плодородии почв и предложил разделять два свойства почвенных агрегатов: связность и прочность [3].
В изучении структурных агрегатов почвы Гедройц К.К. придавал большое значение органическим веществам. Он считал, что органическая часть почвенного поглотительного комплекса наиболее высокодисперсная и поэтому играет особенно важную роль в процессах структурообразования почвы [4]. Соколовский А.Н. отмечал, что в создании структурных агрегатов принимает участие лишь та часть почвенного гумуса, которая способна переходить в раствор после замены в почве обменно-поглощенного кальция натрием. Эту часть гумуса А.Н. Соколовский назвал активным гумусом. Вторая часть — пассивный гумус, не участвует в струк-
турообразовании, но обеспечивает водостойкость почвенной структуры [5].
Тюлин А.Ф., изучая факторы структурообразова-ния, водостойкость агрегатов, а также коллоиднохимическую природу образования агрегатов, указывает на то, что недостаточно в почве учитывать только количество водостойких агрегатов, еще нужно изучать их генезис и качество. Водостойкость структурных агрегатов - свойство достаточно важное, с агрономической точки зрения, но оно не дает полной характеристики качеству структуры, поскольку две одинаковые по структуре почвы могут быть качественно различными. Эта разница предопределена теми условиями, при которых образуются водостойкие агрегаты, при этом особую роль играют гумусовые вещества [6].
В.Д. Муха на основании исследований, проведенных на черноземах Украины и России, отмечает, что весьма эффективным приемом улучшения агрофизических свойств почвы является совместное применение органических удобрений, кальцийсодержащих соединений. В процессе окультуривания происходит существенное увеличение агрономически ценных макро-структурных агрегатов ( > 0,25 мл) вследствие воздействия органических удобрений и более интенсивного развития возделываемых культурных растений, а также повышения насыщенности почвенного коллоидного комплекса обменно-поглощенным кальцием [7].
Дегтярев В.В. отмечает, что агропочвоведение не может воспользоваться результатами изучения химического элементарного и группового состава гумуса, поскольку тип гумуса не изменяется при сельскохозяйственном использовании почв. Для агрономического почвоведения более информативными являются результаты изучения динамики показателей коллоиднохимической природы гумуса. Трансформация гумуса в пахотных почвах характеризуется содержанием отдельных компонентов органической части этих почв. Для характеристики качественного состава органической части почвы следует использовать результаты изучения коллоидных форм гумуса, содержания собственно гумусовых веществ и детрита [8].
К сожалению, анализ динамики всех показателей плодородия черноземов после распахивания целины или долговременных залежей при их сельскохозяйственном использовании свидетельствует о деградации черноземных почв, которую предопределяют несбалансированность процессов поступления и минерализации органического вещества, орошение (особенно непригодными водами), эрозия (водная и ветровая), нарушение круговорота биофильных элементов, подкисление почвенного раствора и техногенное загрязнение. Все это негативно влияет на почвообразовательный процесс на территориях, которые находятся под воздействием антропогенного фактора, особенно на структурное состояние почвы и содержания гумуса в них.
Исследованы черноземы типичные, которые расположены на северной границе распространения украинских степей. Это участок целинной луговой степи Украинского степного природного заповедника НАН Украины отделения “Михайловская целина”. На территории заповедника находится 150 гектаров целинной степи, 11 гектаров залежи, 11 гектаров посева (19551956 гг.) овсяницы луговой, примерно 10 гектаров луга по днищам балок. Климат района умеренно континентальный. Среднегодовая температура воздуха 6,5ОС. Среднегодовое количество осадков составляет 500550 мм. В районе расположения заповедника почва
промерзает в среднем на глубину 52-55 см. В геологическом отношении, заповедник расположен в пределах Днепровско-Донецкой впадины, которая имеет характер аккумулятивной равнины. Четвертичные отложения в этом районе представлены лёссом и лёссовидными суглинками, которым свойственна высокая карбонат-ность. Толща лёссовых пород колеблется от нескольких метров до 20-25м [9].
Почвенный покров заповедника, представлен черноземами типичными среднесуглинистыми, которые залегают на водораздельных плато и слабопологих склонах. Эти почвы имеют достаточно высокое естественное плодородие и характеризуются значительным гумусированием, большими запасами питательных веществ, насыщенностью почвенного коллоидного комплекса обменными основаниями, особенно кальцием, нейтральной реакцией почвенного раствора. Генетический профиль черноземов типичных характеризуется однородностью, отсутствием перемещения почвенных коллоидов; наиболее гумусированый темноокрашенный верхний гумусовый горизонт с уменьшением степени гумусированости постепенно переходит в материнскую породу.
Исследованы такие варианты: абсолютная целина, залежь (участок, который распахивался до 1956 года), лесополоса (заложенная в 1956 г.), пашня 77 лет (была отведена для сельскохозяйственного освоения в 1933 г.). Образцы почвы отбирались с поверхности до глубины 50 см. Отбор образцов почвы проводился из трех стенок разреза через каждых 10 см.
Определение структурно-агрегатного состава почвы проводилось методом Н.И. Саввинова. Содержание общего гумуса в структурных агрегатах разного размера изучали методом И.В. Тюрина в модификации
В.М. Симакова, содержание коллоидных форм гумуса -по А.Н. Соколовскому.
Определение содержания общего гумуса в исходной почве черноземов типичных «Михайловской целины» (таблица 1) свидетельствует, что наибольшее его содержание (10,17%) характерно для 0-10 см слоя почвы абсолютной целины. Существенное влияние на содержание общего гумуса оказывает распахивание и сельскохозяйственное использование почв. 75-летнее распахивание чернозема типичного привело к резкому снижению содержания общего гумуса, особенно в верхней части гумусово-аккумулятивного горизонта на 4,27% и составляет 5,90%. Введение режима залежи на пахотных черноземах способствует накоплению в них гумуса.
Под лесополосой, которая представлена насаждениями дуба и клёна, четко наблюдается влияние на гумусовое состояние чернозема древесной растительности, особенно в нижней части исследуемой почвы. Как отмечает П.Г. Адерихин, состав гумуса в почвах под лесными насаждениями приобретает определенные особенности. Характер изменений, которые проходят в составе почв под лесополосами, зависит от ширины полос, состава и возраста насаждений [10].
Определение структурно-агрегатного состава черноземов типичных показало, что в почве целинного участка в слое 0-20 см преобладает содержание агрегатов размером от 1 до 7 мм (таблица 2). Содержание агрономически ценных агрегатов (0,25-10 мм) составляет больше 90%. Верхний слой почвы абсолютной целины имеет наивысший коэффициент структурности (9,3),
благодаря плотной, очень разветвленной корневой системе травянистой растительности.
Таблица 1 -Содержание общего гумуса в черноземах типичных, %
Глубина, см Абсолютная целина Залежь 54 года Лесополоса 54 года Пашня
0-10 10,17 7,93 8,85 5,90
10-20 7,30 6,60 7,26 5,68
0-20 8,73 7,26 8,05 5,79
20-30 6,87 5,61 7,08 5,58
30-40 5,78 5,07 6,28 4,71
40-50 5,19 4,59 5,34 3,95
20-50 5,95 5,09 6,23 4,75
0-50 7,06 5,96 6,96 5,16
НСР 0,01
05АВ
Распахивание целинных черноземов вызывает в почве увеличение количества агрегатов размером >7 мм и снижение содержания агрономически ценных агрегатов размером 2-5 мм. Особенно эта разница заметна в 020 см слое исследуемой почвы. Также следует отметить, что коэффициент структурности почвы в этом слое составляет 3,1, это в три раза меньше относительно варианта абсолютной целины. Содержание агрономически ценных агрегатов в черноземе пашни составляет около 75%.
Чернозем под залежью, по структурному состоянию, очень похож на целинную почву. Особенно улучшение структурного состояния наблюдается в верхней исследуемой толще почвы. Содержание агрономически ценных агрегатов в 0-20 см слое здесь составляет 89,4%. Залежь имеет наибольшее количество агрономически ценных агрегатов размером 1-5 мм, а процент глыбистых агрегатов размером >10 мм заметно снизился по сравнению с пашней на 5,3%, благодаря изменению растительного покрова.
Древесная растительность (лесополоса) вызывает существенное увеличение в почве содержания частиц размером <0,25 мм и уменьшение количества агрономически ценных агрегатов размером >0,25 мм. Следует отметить, что коэффициент структурности в черноземе типичном под лесополосой меньше, чем в почве пашни, и в 0-50см слое почвы составляет 2,8. Поэтому мы можем констатировать негативное влияние древесной растительности на структурный состав черноземов типичных, причем значительнее, чем распахивание в течение 77 лет.
Определение водостойкости агрегатов путем мокрого просеивания показало, что в 0-20 см слое целинного участка степи имеется приблизительно одинаковое количество агрегатов размером >3 мм, 2-1 мм и <0,25 мм. С глубиной количество агрегатов >3 мм и <0,25 мм постепенно возрастает. Коэффициент водостойкости (по В.В. Медведеву) в 0-50 см слое исследуемой почвы составляет 0,84.
На черноземе пашни по всей толще почвы наблюдается резкое снижение содержания водостойких агрегатов размером >1 мм и соответственно резкое увеличение количества агрегатов размером <0,5 мм. В 0-20 см слое чернозема пашни количество агрегатов размером <0,25 мм самое большое и составляет 54,5%, а коэффициент водостойкости - 0,55. Это самый низкий показатель по сравнению со всеми исследуемыми вариантами.
Таблица 2 - Структурно-агрегатный состав черноземов типичных Михайловской целины, %
Глубина, см Размер фракций, мм Коэффициент структуры Коэффициент водостойкости
>10 10-7 7-5 5-3 3-2 2-1 1-0,5 0,5-0,25 <0,25
Участок абсолютно заповедной степи
0-20 1,8 3,8 10,1 21,7 22,0 20,6 12,1 20,8 23,4 56 7,8 77 10,4 79 24,5 9,3 0,82
20-50 4,7 6,6 10,6 21,6 29,8 13,3 10,2 15,4 13,1 57 64 10,5 16,1 28,1 2,9 0,85
0-50 3,5 5,5 10,4 21,6 26,7 16,2 11,0 17,6 17,2 53 7,6 69 10,5 12,8 26,6 5,2 0,84
Залежь
0-20 2,0 7,4 11,3 20,6 23,8 13,5 11,9 19,9 23,0 60 11,5 73 8,85 86 21,4 8,4 0,86
20-50 7,6 8,2 12,4 15.7 27.8 15,6 11,4 13,1 15,0 4,3 8,7 62 8,7 16.4 28.5 3,1 0,85
0-50 5,4 7,8 12,0 17,7 26,2 14,7 11,6 15,8 18,2 50 9,8 66 8,8 13,3 25,6 4,3 0,86
Чернозём под лесополосой
0-20 2,2 3,4 5,6 11,8 13,3 87 9,7 18,2 16,7 20,9 11,1 87 13,6 22,6 35,8 3,0 0,82
20-50 2,7 4,1 6,9 13,6 11,4 13,2 9,5 19.3 14.4 44 11,1 11,4 12,9 24,3 40,6 2,7 0,78
0-50 2,5 3,8 6,4 12,9 12,2 11,4 9,6 18,8 15,3 11,0 11,1 10,3 13,2 23.6 38.7 2,8 0,80
Чернозём пашни
0-20 7,3 8,3 9,1 14,3 0,9 78 1,9 15,9 6,4 74 10,8 12,3 25,6 17,1 54,5 3,1 0,55
20-50 10,0 8,3 9,2 16,6 3,6 10,4 5,3 17,0 11,9 70 13,8 83 20,1 13.1 45.2 3,3 0,63
0-50 8,9 8,3 9,2 15,7 2,5 93 3,9 16,6 9,7 71 12,6 10,0 22,3 14,7 48,9 3,2 0,60
Примечание: в числителе - сухое просеивание
в знаменателе - мокрое просеивание
Рисунок 1 - Содержание общего гумуса в структурных агрегатах чернозема типичного
Как отмечает Е.В. Шеин, потеря водостойкости структурных агрегатов почвы на пашне может быть связана как с увеличением аэрации пахотного слоя почвы, так и с уменьшением количества органического вещества, которое поступает в почву. Поэтому распахивание почв часто сопровождается ухудшением водостойкости почвенной структуры [11].
Пахотные черноземы, которые перешли под залежь, существенно изменились по соотношению водостойких агрегатов в почве. В их составе заметно растет содержание частиц размером >1 мм и уменьшается количество агрегатов <0,5 мм. Эта тенденция характерна для всей исследуемой толщи почвы. Величина коэффициента водостойкости на этом варианте имеет максимальное значение - 0,86. В составе черноземов под древесной растительностью увеличивается доля водостойких агрегатов <0,5 мм. Это характерно как для верхних, так и для нижних горизонтов почвы.
Определение содержания общего гумуса в водостойких структурных агрегатах чернозема типичного
среднесуглинистого «Михайловской целины» свидетельствует, что в агрегатах размером >3 мм целинного чернозема, как в верхнем 0-10 см слое почвы, так и в целом в слое 0-50 см установлено наивысшее содержание гумуса. Меньше всего гумуса определено в структурных агрегатах размером <0,25 мм (рисунок 1).
Несколько другая зависимость наблюдается в пахотных черноземах: наименьшее содержание гумуса установлено также в агрегатах < 0,25 мм, а наивысшее в агрегатах размером 1-3 мм. Вообще, агрегаты пахотных почв характеризуются значительно меньшим содержанием общего гумуса, нежели агрегаты целинного чернозема. Под залежью больше всего гумуса содержат агрегаты размером >3 мм, но только в верхнем слое почвы (0-20 см), а наименьшее содержание остается в агрегатах <0,25 мм, как и на всех исследуемых вариантах.
Содержание общего гумуса в черноземе под залежью в целом существенно увеличивается сравнительно с пахотным черноземом, что соответственно влияет и
на содержание гумуса в структурных агрегатах. Так, в слое 0-10 см в агрегатах размером >3 содержание гумуса составляет 9,22%, что составляет 94,6% от содержания гумуса в тех же агрегатах чернозема целинного участка (9,74%). В структурных агрегатах чернозема под лесополосой содержание общего гумуса близко к содержанию в структурных агрегатах чернозема целинного участка. Но большее его содержание остается в агрегатах 3-1 мм.
Соколовский А.Н. рассматривал содержание коллоидных форм гумуса, и особенно их соотношение, как качество гумуса, способное изменяться по различным причинам, в частности под воздействием сельскохозяйственного использования почв. Он считал пассивный гумус продуктом «старения» и частичной дегидратации активного гумуса под воздействием различных, главным образом, физических факторов [12].
Исследованиями Н.И. Лактионова установлено, что пассивный гумус в почве представлен той частью гумуса, которой «посчастливилось» взаимодействовать непосредственно с минеральной частью почвы и необратимо объединиться с ней за счет прочных химических связей. При этом знак заряда глинистых частиц не имеет значения. Остальные собственно гумусовые вещест-
ва закрепляются на покрытых пленками пассивного гумуса органо-минеральных агрегатах обратно через, так называемые, мостики из многовалентных катионов, являя собой активную форму гумуса в почвах [13].
Данные исследований коллоидных форм гумуса в структурных агрегатах (рисунки 2,3) свидетельствуют о том, что в почве целины во всех водостойких агрегатах количество пассивного гумуса существенно превышает количество активного гумуса. Четко это наблюдается в агрегатах размером >3 мм. Так, в 0-10 см слое содержание пассивного гумуса в этих агрегатах составляет 6,72%, тогда как содержание активного гумуса составляет 3,02%. В агрегатах размером 3-1 мм эта разница еще больше. В более мелких агрегатах (<1 мм) эта разница сохраняется.
Распахивание чернозема типичного уменьшает общее содержание гумуса в структурных агрегатах, но доля активного гумуса остается большей. По всей исследуемой толще почвы, наивысшее содержание активного гумуса имеют агрегаты размером 3-1 мм. В водостойких структурных агрегатах <1 мм процент пассивного гумуса заметно уменьшился, сравнительно с более крупными агрегатами, тогда как количество активного гумуса почти не изменилось.
Рисунок 2-Содержание активного гумуса в структурных агрегатах чернозема типичного
Рисунок 3 - Содержание пассивного гумуса в структурных агрегатах чернозема типичного
Под залежью происходит накопление гумуса, но в первую очередь пассивной его формы. Это ярко выражено в более крупных агрегатах (>1 мм) в 0-20 см слое почвы. Так, в агрегатах >3 мм в 0-20 см слое почвы содержание пассивного гумуса составляет 5,48%, тогда как активного гумуса - 2,57%. По сравнению с пашней количество активного гумуса уменьшилось на 0,6%.
Во всех исследуемых структурных частицах почвы под лесополосой содержание пассивного гумуса больше, чем активного. В более крупных агрегатах в 0-20 см слое почвы количество пассивного гумуса вдвое больше, чем активного. С глубиной эта разница уменьшается.
В структурном составе почвы абсолютной целины находится наибольшее количество агрономически ценных агрегатов. Распахивание целинных черноземов приводит к существенному снижению количества агрономически ценных агрегатов, соответственно коэффициент структурности этой почвы снижается в три раза по сравнению с черноземом целины.
Под залежью улучшается структурное состояние почвы, особенно в верхней исследуемой толще почвы. Насаждение древесной растительности приводит к уменьшению количества агрономически ценных агрегатов.
Наибольшей водостойкостью характеризуется структура чернозема абсолютной целины и под залежью. Эти варианты имеют наивысшие показатели коэффициента водостойкости. В пахотных почвах водостойкость структуры значительно ниже по сравнению с почвами вышеуказанных вариантов. Чернозем под лесополосой характеризуется в некоторой степени большей водостойкостью структуры, чем пахотные почвы, но более низкой по сравнению с черноземами естественных экосистем.
В черноземах целины, под залежью и в почве под лесополосой большим содержанием общего гумуса характеризуются более крупные структурные агрегаты. Черноземы типичные, которые распахиваются, большее содержание гумуса имеют в мелких (<3 мм) агрегатах.
Гумус водостойких структурных агрегатов целинного чернозема характеризуется значительно высшим содержанием пассивного гумуса. Под залежью также происходит накопление пассивной формы гумуса. Распахивание уменьшает общее содержание гумуса в структурных агрегатах, но доля активного гумуса оста-
ется большей, нежели пассивного. В структурных агрегатах чернозема под лесополосой содержание пассивной формы коллоидного гумуса более высокое, чем его активной формы.
Список использованных источников
1 Костычев П.А. Почвы черноземной области России. Их происхождение, состав и свойства. - М.: Сельхозгиз, 1949.- С. 238.
2 Вильямс В.Р. Почвоведение.- М.: Сельхозиздат, 1947.-
С. 238.
3 Вильямс В.Р. Прочность и связность структуры почвы // Почвоведение. - 1935. - № 5-6. - С. 797-814.
4 Гедройц К.К. К вопросу о почвенной структуре и сельскохозяйственном ее значении // Избр. тр.- М.: Наука, 1975.
5 Соколовский А.Н. Избранные труды. - К.: Урожай, 1971.
6 Тюлин А.Ф. Вопросы почвенной структуры в лесу // Почвоведение. - 1955. - №1. - С. 33.
7 Муха В.Д. Естественно-антропогенная эволюция почв (общие закономерности и зональные особенности). - М.: КолосС, 2004. - 271 с.
8 Дегтярьов В.В. Гумус чорноземів Лісостепу і Степу України: монографія/ В.В. Дегтярьов; за ред. д-ра. с.-г. наук, проф. Д.Г. Тихоненка// Харківський національний аграрний університет ім. В.В. Докучаєва. - Майдан, 2011. - 360 с.
9 Український природний степовий заповідник / НАН України. Інститут ботаніки ім. М.Г. Холодного / За ред. Я.П. Дідуха. - К.: Фітосоціоцентр, 1998.
10 Адерихин П.Г., Богатырева З.С. Воздействие защитных лесных насаждений на содержание и состав органического вещества обыкновенных черноземов Каменной степи // Почвоведение. - 1974.- №5. - С. 43.
11Шеин Е.В., Милановский Е.Ю. Роль и значение органического вещества в образовании и устойчивости почвенных агрегатов. - Почвоведение. - 2003. - №1. - С. 53-61.
12 Соколовский А.Н. Из области явлений, связанных с коллоидной частью почвы // Избр.труды.- К.: Урожай, 1971.-
С. 10-128.
13 Лактіонов М.І. Проблеми вчення про органічну частину ґрунтів / М.І.Лактіонов/ Агрохімія і ґрунтознавство. -2001. - №61. - С. 3-11.
Информация об авторах
Дегтярев Василий Владимирович, доктор сельскохозяйственных наук, профессор, декан факультета агрохимии и
почвоведения Харьковского национального аграрного университета им. В.В. Докучаева.
Панасенко Ольга Сергеевна, ассистент кафедры почвоведения Харьковского национального аграрного университета им. В.В. Докучаева, е-шаіі; zhemova2007@rambler.ru, тел.+38 066 78 50 418.
Недбаев Виктор Николаевич, кандидат сельскохозяйственных наук, доцент кафедры почвоведения, агрохимии и земледелия ФГБОУ ВПО «Курская ГСХА».
