ЭКОЛОГИЧЕСКОЕ СОСТОЯНИЕ ПОЧВ ОРЕНБУРГСКОГО СТЕПНОГО ЗАУРАЛЬЯ В РАЗЛИЧНЫХ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ УГОДЬЯХ

ECOLOGICAL CONDITION OF SOILS IN ORENBURG STEPPE TRANSURAL REGION IN VARIOUS FARMLAND

О.А. Саблина

O.A. Sablina 

Орский гуманитарно-технологический институт (филиал) ОГУ

(Россия, 462403, Оренбургская область, г. Орск, пр-т Мира, 15а) 

Orsk Humanitarian-Technological Institute (Branch) of  Orenburg State University

 (Russia, 462403, Orenburg region, Orsk, Prospect Mira, 15a)

e-mail: pri_rektor@ogti.orsk.ru

Исследованы следующие показатели экологического состояния целинных и агрогенно преобразованных черноземов южных и темно-каштановых почв: плотность, структура, биологическая активность, гумусное состояние. Установлено, что в ряду «целина – сенокос – пастбище – залежь – пашня» отмечается снижение содержания гумуса и интенсивности продуцирования углекислого газа, уменьшение доли гуминовых кислот, связанных с кальцием (ГК2), и повышение доли свободных фульвокислот (фракция ФК1).

The following indicators of ecological condition of virgin and agrogene transformed southern chernozems and dark chestnut soil are investigated: density, structure, biological activity, humus state. It was established that in the series «virgin – hayfield – grazing areas – fallow land – arable land» a decrease of humus content and intensity of the production of carbon dioxide, reducing the proportion of humic acids connected with calcium (НA2) and increasing the proportion of free fulvic acids (FA1) are noted. 

Территория Оренбургского Зауралья характеризуется высоким уровнем агрогенной нагрузки на степные экосистемы, в том числе на их центральное звено – почвы. Основные направления трансформации свойств пахотных почв исследуемого региона под влиянием многолетнего сельскохозяйственного использования установлены в работах [1, 3, 5]. Менее изученными в этом отношении являются почвы других сельхозугодий: сенокосов, пастбищ, залежей.

Целью исследования являлось установление параметров почвенной системы, которые отражают изменение экологического состояния почв при увеличении степени сельскохозяйственной нагрузки в ряду «целина – сенокос – пастбище – залежь – пашня».

Объектами исследования послужили черноземы южные карбонатные малогумусные маломощные тяжелосуглинистые и темно-каштановые карбонатные маломощные легкосуглинистые почвы. Участки на пяти типах угодий (целина, пашня под яровыми зерновыми, естественный сенокос, среднесбитое пастбище, 10-12-летняя залежь) были заложены в Гайском районе (окрестности с. Лылово) для чернозема южного и в Новоорском районе Оренбургской области (окрестности с. Кумак и с. Горьковское) для темно-каштановой почвы.

Пробы почвы для определения влажности, плотности, структурно-агрегатного состава, химических и биологических свойств отбирались из горизонтов А и АВ (В₁) послойно через каждые 10 см. Для геоботанического описания участков исследования закладывались пробные площадки размером 10?10 м, на которых изучали флористический состав, тип растительной ассоциации, среднюю высоту травостоя, ярусность, общее проективное покрытие [4]. Величину надземной фитомассы определяли на укосных площадках размером 1 м², величину подземной фитомассы – изъятием почвенных монолитов размером 20?20?20 см.

Плотность устанавливали с помощью стальных цилиндров-буров известного объема. Для определения структурно-агрегатного состава почвы производили фракционирование образца воздушно-сухой почвы массой 1-1,5 кг на стандартном наборе сит (сухое просеивание по методу Н.И. Саввинова). Коэффициент структурности рассчитывали как отношение суммы агрегатов размером 0,25-10 мм к сумме агрегатов диаметром более 10 мм и менее 0,25 мм [2].

Содержание общего гумуса определяли методом мокрого озоления в модификации ЦИНАО (ГОСТ 26213-91), фракционно-групповой состав гумуса – по методике И.В. Тюрина в модификации В.В. Пономаревой–Т.А. Плотниковой, интенсивность продуцирования углекислого газа («дыхание почв») – адсорбционным методом В.И. Штатнова (в мг СО₂ на 1 кг почвы за 1 час); активность каталазы – газометрическим методом по количеству кислорода, выделившегося в ходе реакции 3% раствора пероксида водорода с навеской почвы массой 1 г и 0,5 г карбоната кальция. Показания снимали через 1 мин после контакта почвы с пероксидом водорода; активность каталазы выражали в мл О₂ на 1 г почвы за 1 мин [6].

Существенное влияние на экологическое состояние степных почв оказывают геоботанические особенности и фитопродуктивность экосистем. Полное уничтожение естественной растительности и коренное преобразование всех параметров фитоценоза отмечается на пахотном участке. Типичные степные фитоценозы с доминирующей дерновинно-злаковой растительностью сохраняются на целинных участках (ковылково-типчаковые), а также на естественных сенокосах (пырейно-типчаковые, тонконогово-типчаковые). На среднесбитых пастбищах, несмотря на доминирование плотнодерновинных злаков, прежде всего Festuca valesiaca Gaudin., значительную долю занимает и разнотравье: Achillea millefolium, Linaria vulgaris L., Phlomis tuberosa L. на черноземе южном и Gypsophila paniculata L., Berteroa incana (L.) DC., Euphorbia seguieriana Neck., Eryngium planum L. на темно-каштановых почвах. Залежные фитоценозы (горькополынно-молочайные и горькополынно-тысячелистниковые) также существенно отличаются от естественных степных доминированием разнотравья: Achillea millefolium L., Artemisia absinthium L., Euphorbia seguieriana Neck., Artemisia austriaca Jacq., Convolvulus arvensis L.

В соответствии со степенью преобразования фитоценоза изменяется биопродуктивность экосистем. Наибольшие запасы общей фитомассы отмечаются на целинном (до 246,8 ц/га в) и сенокосном (244 ц/га) участках чернозема южного. Пастбища и залежи дают, соответственно, до 208,7 ц/га и 174,8 ц/га общей фитомассы. Снижение запасов растительной биомассы на этих участках происходит преимущественно за счет подземной ее части в связи с замещением разнотравьем злаков с развитыми корневищами и дерновинами. Запасы и структура распределения фитомассы на пашне существенно отличаются от всех других рассматриваемых угодий: запасы общей растительной биомассы ниже, чем на целине, в 7,6 раза (32,4 ц/га), а отношение подземной фитомассы к надземной очень низкое, не характерное для естественных травянистых сообществ, и составляет 1,6. Фитоценозы на темно-каштановых почвах в целом характеризуются более низкими запасами растительной биомассы по сравнению с соответствующими участками на черноземе южном. Однако выявленные закономерности и причины снижения фитопродуктивности на пастбище, залежи и пашне здесь проявляются столь же четко.  

Описанные изменения фитоценозов сказываются на экологическом состоянии почв за счет снижения поступления органического вещества, а также трансформации структурно-агрегатного состояния и физических свойств почв. Плотность чернозема южного в гумусовом горизонте на всех исследованных участках является благоприятной для роста и развития растений и укладывается в диапазон значений 0,87-1,20 г/см³. Достоверно более высокая по сравнению с целинным значением плотность отмечается на залежи в слое 0-10 см, что вероятно связано с особенностями растительности и отсутствием развитой дернины. Темно-каштановые почвы, в силу своих типовых особенностей, имеют более высокие значения плотности по сравнению с южными черноземами. На пашне верхний слой темно-каштановой почвы отличается рыхлым сложением, в то время как на глубине 10-20 и 20-30 см, где проходит «плужная подошва» плотность достоверно выше, чем на целине, и достигает 1,49 г/см³. Увеличение плотности в слое 10-20 см наблюдается и в залежной почве, хотя различия не являются значимыми. С некоторой долей осторожности это можно расценивать как признак, унаследованный от прежнего пахотного состояния почвы.

Структура южных черноземов на целине и естественном сенокосе в целом благоприятна: коэффициент структурности составляет 1,62-1,99. Структурно-агрегатный состав почв на остальных исследованных участках изменяется в сторону увеличения доли глыбистой фракции и снижения доли мезоагрегатов, причем, если на пастбище это имеет характер тенденции, то на залежи и пашне выявленные различия достоверны. Исследованные темно-каштановые почвы слабо оструктурены, их агрегатный состав характеризуется значительной долей макроагрегатов диаметром более 10 мм (30-40% от общей массы просеянной почвы). Вследствие этого коэффициент структурности оказывается очень низким: 1,03-1,17 на целине; 1,14-1,27 на сенокосе; на пастбище этот показатель снижается до 0,91-1,01, а на пашне и залежи не превышает 0,94. Таким образом, неблагоприятная структура темно-каштановых почв, определяемая зонально-генетическими особенностями, еще более ухудшается под воздействием вспашки и вытаптывания.

Интегральным показателем экологического состояния, четко реагирующим на все изменения параметров почвенной среды, является биологическая активность почв. Полученные данные свидетельствуют о том, что активность каталазы в черноземах южных является наименьшей на целинном участке (в среднем 12,5 мл О₂/мин в слое 0-30 см). На пахотном участке этот показатель составляет 13,6 мл О₂/мин; на сенокосе – 14,7 мл О₂/мин; на пастбище – 14,4 мл О₂/мин; максимальное значение рассматриваемого параметра наблюдается на залежи – 15,2 мл О₂/мин в слое 0-30 см (различие по сравнению с контролем достоверно). В отношении активности каталазы в темно-каштановых почвах выявлено следующее: на сенокосах и пастбищах интенсивность выделения кислорода при разложении перекиси была достоверно выше, чем в целинной почве, а на пашне и залежи, напротив, достоверно ниже. Таким образом, активность каталазы слабо коррелирует со степенью сельскохозяйственной эксплуатации почв Оренбургского Зауралья.

Интенсивность продуцирования углекислого газа («дыхание почв»), напротив, хорошо отражает степень антропогенной трансформации почв, а также хорошо коррелирует с объемами поступления растительной биомассы. В целинных черноземах южных рассматриваемый параметр составляет 7,03-8,01 мг СО₂/кг?час (7,53 в слое 0-30 см). На сельскохозяйственных угодьях интенсивность продуцирования углекислого газа снижается в следующем ряду: сенокос (7,74 мг СО₂/кг?час) – пастбище (7,10 мг СО₂/кг?час) – залежь (6,62 мг СО₂/кг?час) – пашня (5,69 мг СО₂/кг?час). В темно-каштановых почвах наблюдается сходная закономерность: наиболее интенсивное «дыхание почв» (4,8-5,2 мг СО₂/кг?час) отмечается на целинном участке, в то время как наименьшие значения (3,6-3,9 мг СО₂/кг?час), достоверно различающиеся с контрольными, выявлены для пахотной почвы.

Изменения в характере поступления органического вещества, структуре и биологической активности почв сказываются на их гумусном состоянии. Черноземы южные на трех участках (целинном, сенокосном и пастбищном) можно отнести к малогумусным (содержание гумуса в горизонте А около 4%), в то время как почвы пашни и залежи ближе к виду слабогумусированных: 3,16% и 3,72% гумуса в верхнем горизонте соответственно, что достоверно ниже по сравнению с контролем. Содержание общего гумуса в исследованных темно-каштановых почвах закономерно ниже, чем в черноземах южных, и составляет 2,34-2,83% в гумусовом горизонте. Самые низкие значения концентрации органического вещества, достоверно различающиеся по сравнению с целиной, наблюдаются, как и в черноземах южных, в верхнем слое почв пашни и залежи.

Изучение фракционно-группового состава гумуса (табл. 1) показывает, что отношение Сгк:Сфк в целинных черноземах южных приближается по величине к гуматному типу гумуса и составляет 1,98, в то время как в почвах кормовых угодий этот показатель снижается до 1,92, в почвах залежей – 1,82, пашни – 1,77. Темно-каштановые почвы имеют меньшие значения Сгк:Сфк, и тенденция снижения этого показателя в направлении от целинных к сенокосным и пастбищным и далее к залежным и пахотным почвам сохраняется. Уменьшение отношения Сгк:Сфк в почвах агроландшафтов по сравнению с целиной происходит преимущественно за счет фракций ГК2 и ФК1.   

Таблица 1

Фракционно-групповой состав гумуса почв Оренбургского Зауралья

Таким образом, при нарастании степени агрогенной трансформации почв в ряду целина–сенокос–пастбище–залежь–пашня отмечается снижение фитопродуктивности экосистем, что приводит к ослаблению интенсивности почвенного дыхания, сокращению содержания гумуса и трансформации его фракционно-группового состава. 

Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 14-04-31017 «Экологическая оценка гумусного состояния почв агрогенно-трансформированных экосистем Оренбургского Зауралья».

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

1. Блохин Е.В. Экология почв Оренбургской области: почвенные ресурсы, мониторинг, агроэкологическое районирование. Екатеринбург: УрО РАН, 1997. 228 с.
2. Вадюнина А.Ф., Корчагина З.А. Методы исследования физических свойств почв. М.: Агропромиздат, 1986. 416 с.
3. Климентьев А.И. Почвы степного Зауралья. Екатеринбург: Изд-во УрО РАН, 2000. 433 с.
4. Раменский Л.Г. Проблемы и методы изучения растительного покрова. Л.: Наука, 1971. 334 с.
5. Саблина О.А. Экология гумусообразования степных почв Зауралья: автореф. дис. ... канд. биол. наук. Уфа, 2011. 22 с.
6. Хазиев Ф.Х. Методы почвенной энзимологии. М.: Наука, 1990. 189 с.