CC BY
24
УДК 631.472:631.41:631.445.4 (571.51)
ВЛИЯНИЕ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЗЕМЕЛЬ НА ИЗМЕНЕНИЕ СВОЙСТВ ЧЕРНОЗЕМА ВЫЩЕЛОЧЕННОГО КРАСНОЯРСКОЙ ЛЕСОСТЕПИ
1 2 Н.Л. Кураченко, д.б.н., Е.В. Лозневая
1 Красноярский государственный аграрный университет, e-mail: kurachenko@mail.ru 2Государственный центр агрохимической службы «Красноярский», e-mail: lev101979@yandex.ru
На основе обобщения результатов многолетних исследований (1995-2012 гг.) в системе локального агроэкологи-ческого мониторинга изучена направленность и интенсивность изменения морфологических, агрохимических и физико-химических свойств черноземов выщелоченных Красноярской лесостепи. Выявлена агрогенная трансформация пахотного слоя почвы, заключающаяся в уменьшении его мощности до 14 см. Показано, что тенденции изменения агрохимических и физико-химических параметров являются слабовыраженными.
Ключевые слова: чернозем выщелоченный, сельскохозяйственное использование, морфологические признаки, агрохимические и физико-химические свойства.
INFLUENCE OF AGRICULTURAL USE ON LEACHED CHERNOZEM PROPERTIES OF KRASNOYARSK FOREST-STEPPE N.L. Kurachenko, E.V. Loznevaya
On the basis of generalization the results of years of research (1995-2012) in the system of local agro-ecological monitoring studied direction and intensity of changes of morphological, agrochemical and physic-chemical properties of leached chernozems of the Krasnoyarsk forest-steppe. Agrogenic transformation of the topsoil, which consists in the reduction of its capacity up to 14 cm is revealed. It is shown that trends of changes of the agrochemical and physic-chemical parameters are the weakly expressed.
Keywords: chernozem leached, agricultural use, morphological traits, agrochemical and physic-chemical properties.
Бессменное возделывание и высокая насыщенность севооборотов зерновыми культурами на фоне дефицита минеральных и органических удобрений сопровождается существенными изменениями свойств почв. Направленность и интенсивность этих изменений определяются длительностью и характером сельскохозяйственного использования, конкретными почвенно-климатическими особенностями. В условиях Сибири с коротким периодом вегетации растений, небольшим сроком активной биологической жизни почв, маломощностью их гумусового профиля и воздействием криогенных процессов проблема агрогенной трансформации почв стоит довольно остро.
Цель работы - изучить направленность и интенсивность изменений морфологических, агрохимических и физико-химических свойств почв Красноярской лесостепи за 17-летний период (1995-2012 гг.) сельскохозяйственного использования.
Исследования проведены в условиях эталонного (ре-перного) участка, выделенного для ведения локального агроэкологического мониторинга в Большемуртинском районе Красноярской лесостепи. Эта территория представляет собой полого-увалистую наклонную предгорную равнину. С востока она ограничена Енисейским кряжем, с юга - отрогами Восточных Саян и юго-запада - Кемчугским нагорьем, а на севере и северо-западе открыта к Западно-Сибирской низменности. Лесостепь сложена девонскими, меловыми и юрскими породами, перекрытыми четвертичными аллювиально-делювиаль-ными отложениями. Климат территории резко континентальный с суммой осадков 350-450 мм в год. Среднегодовая температура воздуха в регионе изменяется от 0,5
до 1,3°С, понижаясь иногда до -2°С. Продолжительность периода биологической активности варьирует в пределах 90-115 сут. Сумма активных температур составляет 1550-1800°С. Почвы промерзают на глубину 1,5-3,0 м.
Объект исследования - чернозем выщелоченный среднемощный легкоглинистый. Закладка реперного участка (РУ) проведена в 1995 г. Участок занимает часть обрабатываемого поля (4 га), на котором возделывали зерновые культуры без соблюдения научно обоснованных севооборотов при малых дозах удобрений и их несистематическом внесении. Среднегодовой уровень урожайности зерновых составил 26,0 ц/га при средних дозах внесения минеральных удобрений 2,0 кг/га д.в.
Сравнительный анализ морфологических признаков и отбор образцов проводили по горизонтам в разрезах, заложенных в 2012 г. в соответствии с географическими координатами их местоположения в 1995 г. (56°55'02 с.ш. и 93°04'05 в.д.). В почвенных пробах определяли гранулометрический состав методом Качинского, агрохимические и физико-химические показатели методами в модификации ЦИНАО. Подвижные формы фосфора в карбонатных горизонтах (Вк, Ск) определяли по Мачигину, обменные катионы Са2+ и Mg2+ - по Шмуку. Для оценки многолетней динамики плодородия почв учитывали содержание гумуса, подвижные формы фосфора и калия, обменную (рЩа) и гидролитическую кислотность, сумму поглощенных оснований. Смешанные почвенные образцы отбирали в четырехкратной повторности из пахотного слоя почвы ежегодно до 2002 г., далее - 1 раз в два года. Результаты обрабатывали методами описательной статистики и анализа временных рядов [1] с использованием программ Microsoft Excel и Statistica 10.
1. Характеристика почвенных профилей черноземов Красноярской лесостепи
Разрез 1. Чернозем выщелоченный сред-немощный глинистый на желто-бурой карбонатной глине. Заложен и описан в 1995 г. П.И. Крупкиным Разрез 2. Чернозем выщелоченный среднемощный глинистый на желто-бурой карбонатной глине. Заложен на РУ-12 в 2012 г.
А„ах. 0-28 см. Черный, свежий, рыхлый после вспашки, комковато-пылеватый, обильно остатки половы, соломы, корней, переход заметный по плотности. А 28-47 см. Черный, свежий, слегка уплотнен, комковато-порошистый, много мелких корней, переход постепенный. АВ 47-70 см. Темно-серый, книзу с бурым оттенком, слегка уплотнен, комковато-зернистый, много корней, переход заметный. В1 70-88 см. Темно-бурый с мелкими потеками гумуса, уплотнен, комковато-непрочно-ореховатый без глянца, не вскипает, переход постепенный. Вк 88-130 см. Бурый, слегка увлажнен, плотноватый, непрочно-ореховатый, редко потеки гумуса, мелкие сизоватые пятка от оглеения, вскипает. Ск 130 см и глубже. Желто-бурая карбонатная глина. Апах 0-14 см. Черный, свежий, глинистый, рыхлый, много тонких корней, стерня соломы, комковато-зернистый, тонкопористый, тонкотрещиноватый, не вскипает от HCl, переход резкий по плотности. А 14-40 см. Черный книзу с буроватым оттенком, свежий, глинистый, уплотнен, корней умеренно, в верхней части комковато-зернистый, в нижней - комковато-пороховидный. Тонкопористый, тонкотрещиноватый, не вскипает от HCl, переход постепенный языковатый. АВ 40-58 см. Серо-бурый, глинистый, уплотнен, корней единично, непрочно-ореховатой структуры, пористый, тонкотрещиноватый, гумусовые затеки, не вскипает от HCl, переход постепенный. Bj 58-71 см. Желто-бурый, свежий, глинистый, уплотнен, глыбисто-ореховатый, пористый, тонкотрещиноватый, встречаются гумусовые вещества в виде затеков, не вскипает от HCl, переход резкий по границе вскипания. Вк 71-110 см. Сизо-бурый с белесоватым оттенком, свежий, глинистый, уплотнен, непрочно-ореховатой структуры, пористый, тонкотрещиноватый, слоистой текстуры, карбонаты в форме псевдомицелия. В нижней части горизонта оглеение в виде сизовато-охристых пятен, обильное вскипание от HCl, переход постепенный. Ск 110 см и глубже. Желто-бурая карбонатная глина.
В основе антропогенной изменчивости почв лежит нарушение квазиравновесного состояния между факторами почвообразования и процессами, составляющими суть почвообразования [2]. Нарушая и изменяя базовые факторы почвообразования, человек своей производственной деятельностью изменяет ход и направление почвенных процессов, результаты которых отражаются в глубокой трансформации свойств почв, в том числе в их морфологическом облике. Черноземы выщелоченные Красноярской лесостепи имеют так называемый нормальный профиль, общей мощностью до 1,5 м, в котором хорошо выделяются следующие генетические горизонты: Апах. - А - АВ - В] - Вк - Ск. Сопоставление морфологического описания профилей почвы ре-перного участка, выполненного в 1995 и 2012 гг., позволяет составить представление об агрогенном изменении ее внешнего облика (табл. 1).
Современное агрогенное воздействие на черноземы в наибольшей степени проявляется в изменении самой верхней части профиля этих почв в связи с созданием в них пахотного слоя. Следы агрогенной нагрузки отчетливо проявляются в пределах пахотного горизонта. За 17-летний период сельскохозяйственного использования произошла трансформация пахотного слоя почвы, заключающаяся в уменьшении его мощности до 14 см.
Минимальные обработки почвы на глубину 12-14 см, проводимые в течение ряда лет, способствовали обособлению 0-14 см толщи с сохранением исходных морфологических признаков пахотного горизонта.
Гранулометрический состав, являясь одной из важнейших генетических и агрономических характеристик почв, свидетельствует о присутствии на РУ-12 легкоглинистых иловато-крупнопылеватых разновидностей чернозема выщелоченного (табл. 2). Наличие значительного количества крупной пыли (19-37%) подтверждает лессовидный характер почвообразующих пород. Из песчаных фракций в основном содержится лишь мелкий песок в количестве 3-13%. Отмечена слабая дифференциация профиля по гранулометрическому составу. Увеличение илистой фракции в горизонтах АВ и В на 10-11% позволяет судить о проявлении иллювиального процесса.
Черноземы выщелоченные при средней мощности гумусово-аккумулятивного горизонта отличаются повышенным (7,2-7,1%) содержанием гумуса (табл. 3). С увеличением глубины количество гумуса снижается. По исследованиям В.В. Пономаревой и Т.А. Плотниковой [3], резкое уменьшение содержания гумуса в профиле черноземов совпадает с границей карбонатного горизонта - химического экрана, через который мигри-
2. Гранулометрический состав чернозема выщелоченного (расчет фракций на сухую почву)
Горизонт Глубина отбора образца, см Количество фракций, %, размером, мм Сумма фракций <0,01
1-0,25 0,25-0,05 0,05-0,01 0,01-0,005 0,005-0,001 <0,001
А -^пах. 0-14 2,6 5,9 35,8 12,8 21,8 21,1 55,7
А 14-40 2,2 2,7 37,3 14,4 21,2 22,2 57,8
АВ 40-58 2,2 3,4 36,4 13,5 12,5 32,0 58,0
Bi 58-71 3,0 12,9 28,6 10,2 13,7 31,6 55,5
Вк 71-110 3,4 19,4 19,4 9,0 16,4 32,4 57,8
Ск 110-140 3,2 7,2 26,8 15,1 20,0 27,6 62,7
3. Агрохимические и физико-химические свойства чернозема выщелоченного
Горизонт Глубина отбора образца, см Гумус, % Р2О5, мг/кг К2О, мг/кг рНка Поглощенные катионы, мг-экв/100 г Нг, мг-экв/100 г V, %
Са2+ Епогл. осн.
А -^пах. 0-14 7,2 203,0 143,8 5,9 25,0 4,6 29,6 2,7 91,7
А 14-40 7,1 201,0 88,8 6,0 24,1 4,2 28,3 2,0 93,3
АВ 40-58 2,0 159,0 85,2 6,2 21,8 3,6 25,4 1,1 95,9
В, 58-71 0,9 115,0 93,3 6,7 23,1 3,5 26,6 0,8 97,1
Вк 71-110 0,8 3,6 7,2 11,0 2,3 13,3 *-
Ск 110-140 0,8 3,9 7,1 9,8 2,3 12,1 *-
* не определялось
руют только фракции гумуса, нечувствительные к осаждаемому влиянию кальция.
Гидролитическая кислотность низкая (3-2 мг-экв/100 г), сумма поглощенных оснований высокая (30-28 мг-экв/100 г). С падением гумусированности сумма поглощенных оснований закономерно уменьшается. ППК насыщен Са2+ и причем содержание кальция в 4,3-6,6 раз превышает содержание магния. С глубиной относительная доля Mg2+ возрастает. Очень высокая степень насыщенности основаниями (92-97%) определяется карбонатностью почвообразующих пород, особенностями водного режима почв, коротким безморозным периодом. В профиле чернозема выщелоченного выделяются две физико-химические зоны - верхняя с нейтральной реакцией среды и нижняя со слабощелочной реакцией по причине накопления значительных количеств углекислых солей в верхней части карбонатного пояса иллю-виально-карбонатного горизонта [4]. В соответствии с принятыми градациями [5], содержание подвижного фосфора (метод Чирикова) в пахотном горизонте - повышенное (203 мг/кг), что обусловлено довольно высокими запасами валового фосфора в материнских породах (0,2%). Вниз по профилю количество фосфора уменьшается, но и в нижних безгумусовых горизонтах остается довольно высоким. Последнее свидетельствует о больших запасах минеральных фосфатов [6]. Обеспеченность Апах. обменным калием (метод Чи-рикова) - высокая (144 мг/кг). В черноземах Красноярской лесостепи необменный калий (фиксированный кристаллической решеткой глинистых минералов) служит резервом обменного калия и составляет 23 -26% от валового. Содержание обменного калия в нижележащих горизонтах изменяется незначительно [7].
Формирование пахотного горизонта («типичного» для конкретных условий) с определенным набором агрогенно-соз-
4. Статистические характеристики агрохимических показателей (0-20 см, п = 11)_
Показа- Гумус, % Р2О5 К2О
тель мг/кг
X 7,2 217,8 167,8
£ 0,5 18,3 21,5
V, % 7 8 13
г Г! = 0,08 г2 = 0,00 Г! = -0,13 г2 = 0,32 Г! = -0,05 г2 = 0,22
1набл 0,23 0,00 0,38 0,96 0,15 0,62
¿крыт 2,26 2,31 2,26 2,31 2,26 2,31
Здесь и далее: X - среднее арифметическое; 8 - стандартное отклонение; V - коэффициент вариации; Г1 - линейный коэффициент автокорреляции 1-го порядка; г2 - линейный коэффициент автокорреляции 2-го порядка; 1набл - расчетное рас пределение Стьюдента; 1крит - критическое значение распределения с доверительной вероятностью Р = 0,95._
данных свойств имеет определяющее значение для плодородия почв и характера агропедогенеза, поскольку именно пахотный слой, подвергаясь непосредственному агрогенному воздействию, наиболее полно отражает процессы культурного почвообразования [8].
В наших исследованиях 17-летнее возделывание зерновых культур на старопахотных черноземах выщелоченных при малых дозах и несистематическом внесении минеральных удобрений показало отрицательную временную динамику гумуса. В среднем ежегодные потери составили 0,08% или 1,2 т/га. В целом, тенденция снижения гумуса на черноземах выщелоченных Красноярской лесостепи слабовыражена. Статистическая значимость коэффициентов автокорреляции как I, так и II порядка не доказана, что позволяет считать содержание гумуса по параметрам изменчивости как консервативное, медленно изменяющееся во времени образование (V = 7%) (табл. 4). Об относительной изменчивости гумуса следует говорить для периодов геологического порядка.
Содержание подвижного фосфора в почве предопределено материнской породой и ее генезисом [9]. Основополагающим фактором, определяющим временную динамику подвижного фосфора, считают систематическое применение органических и минеральных удобрений. Низкие дозы и нерегулярное применение минеральных удобрений определило отрицательный характер динамики фосфора. Абсолютное снижение составило 5,57 мг/кг в год. Установлено, что изменения фосфора на РУ-12 недостоверны = -0,13; г2 = 0,32), т.е. статистически не значимые. В черноземных почвах менее активные трудно растворимые фосфаты почвы, образованные вследствие трансформации ранее избыточно внесенных фосфорных удобрений, могут определенное время служить источником питания растений, переходя в подвижные формы при его отрицательном балансе. Однако истощение этого источника - вопрос времени.
Ряд факторов внешней среды (температура, влажность), агротехника (окультуренность, удоб-ренность почвы) действуют на динамику обменного калия с такой же интенсивностью и направленностью, как на динамику подвижных фосфатов. Динамика содержания калия более динамична во времени (V = 13%) и зависит от ряда дополнительных факторов: режима влаги, содержания гумуса, реакции среды, биологической активности
5. Статистические параметры физико-
Показатель рНка 8осн. Нг
мг-экв/100 г
X 6,1 29,1 2,0
S 0,1 1,6 0,3
V, % 2 6 15
r rj = -0,16 r2 = -0,23 rj = 0,55 r2 = 0,34 r1 = -0,16 r2 = -0,13
tнабл 0,47 0,66 1,96 1,02 0,47 0,38
tкрит 2,26 2,31 2,26 2,31 2,26 2,31
почвы и гранулометрического состава [10]. Выявлена слабо-выраженная = -0,05; г2 = 0,22) отрицательная динамика обменного калия на черноземах выщелоченных Красноярской лесостепи. Интенсивность изменения составила 0,97 мг/кг в год. Способность черноземов при отрицательном балансе K2O восстанавливать доступные формы калия за счет необменных форм при высоких валовых запасах калия в черноземах тяжелого и глинистого гранулометрического состава служит основой оптимизации калийного режима почв.
Реакция среды (рНкс1) и емкость катионного обмена (ЕКО) - показатели напряженности и интенсивности протекающих почвенных процессов. В зависимости от особенностей агроценоза, типа почв, гидротермического режима и удобренности почвы обнаруживаются различные параметры динамики кислотности и емкости поглощения катионов [11, 12]. Лишь в отдельных работах отмечается, что кислотно-основные свойства почв стабильные диагностические показатели и их изменение говорит о деградационных процессах в почве [13, 14]. Нами установлено незначительное (V = 2-
5%) и небольшое (V = 15%) варьирование физико-химических свойств чернозема выщелоченного. Достоверных отклонений статистического распределения суммы поглощенных оснований, обменной (рНкс1) и гидролитической кислотности не обнаружено (табл. 5). Относительная устойчивость черноземов выщелоченных Красноярской лесостепи к подкислению и подщелачиванию определяется нейтральной реакцией среды, глинистым гранулометрическим составом, значительной емкостью катионообменной буферной системы и высокой карбонатностью подстилающих и материнских пород [15].
Таким образом, длительное возделывание зерновых культур на фоне минимальной обработки без соблюдения научно обоснованных севооборотов, малых дозах удобрений и их несистематическом внесении сопровождается трансформацией верхней части профиля черноземов выщелоченных Красноярской лесостепи. Установлено уменьшение мощности пахотного горизонта до 14 см с обособлением его по «плужной подошве». Тенденции изменения агрохимических и физико-химических показателей в слое 0-14 см слабо выражены, что дает основание говорить о стационарном (устойчивом) состоянии черноземов выщелоченных Красноярской лесостепи как об отдельном этапе агропедогенеза, в течение которого трансформация почв происходит, но не достигает «критических» значений, за которыми следует изменение почвенного плодородия.
Литература
1. Куприенко Н.В., Пономарева О.А., Тихонов Д.В. Статистика. Анализ рядов динамики. - СПб.: Изд-во Политехнического университета, 2009. - 204 с.
2. Щеглов Д.И. Гумусовый профиль черноземов: процессы формирования и направление эволюции // Антропогенная эволюция черноземов. - Воронеж: Воронежский государственный университет, 2000. - 412 с.
3. Пономарева В.В. Плотникова Т.А. Гумус и почвообразование. - Л.: Наука, 1980. - 222 с.
4. Градобоев Н.Д. Природные условия и почвенный покров левобережной части Минусинской впадины / Почвы Минусинской впадины. - М.: Изд-во АН СССР, 1954. - С. 7-183.
5. Крупкин П.И., Антипина Л.П., Рудой Н.Г. и др. Рабочая инструкция для зональных агрохимлабораторий Восточной Сибири. - М.: МСХ СССР, 1967. - 108 с.
6. Крупкин П.И., Антипина Л.П. Содержание подвижного фосфора в почвах и эффективность суперфосфата / Агрохимическая характеристика почв СССР. Средняя Сибирь. - М.: Наука, 1971. - С. 95-106.
7. Танделов Ю.П. Плодородие почв и эффективность удобрений в Средней Сибири. - М.: МГУ, 1998. - 302 с.
8. Муха В. Д. Агрогенная трансформация чернозема типичного и серой лесной почвы лесостепи // Аграрная наука, 2009, № 8. - С. 15-17.
9. Рудой Н.Г. Агрохимия почв Средней Сибири. - Красноярск: КрасГАУ, 2003. - 167 с.
10. Якименко В.Н. Калий в агроценозах Западной Сибири. - Новосибирск: СО РАН, 2003. - 231 с.
11. Муха В.Д. Основные характеристики культурной эволюции почв // Естественная и антропогенная эволюция почв. - Пущино, 1988. - С. 100-106.
12. Самойлова Е.М., Толчельников Ю.С. Эволюция почв. - М: МГУ, 1991. - 88 с.
13. Зыкина Г.К., Быстрицкая Т.Л. Исследование активности ионов почвенного раствора в полевых условиях // Экосистемы Южного Подмосковья. - М.: Наука, 1979. - С. 88-93.
14. Козаченко А.П. Состояние, почвенно-экологическая оценка и приемы реабилитации и использования земель сельскохозяйственного назначения Челябинской области на основе адаптивно-ландшафтной системы земледелия. -Челябинск: ЧГАУ, 2004. - 380 с.
15. Фрид А.С., Гребенников А.М. Устойчивость почв России к деградации по плодородию при кислотных и щелочных воздействиях // Агрохимия, 1999, № 2. - С. 5-11.
