ЭВОЛЮЦИОННЫЕ ТРЕНДЫ В СОСТОЯНИИ ЧЕРНОЗЕМОВ КАМЕННОЙ СТЕПИ

EVOLUTIONARY TRENDS IN THE CONDITION OF CHERNOZEMS OF THE STONE STEPPE

Н.К. Сюняев¹, А.В. Филиппова², О.И. Сюняева¹, М.В. Тютюнькова¹, М.М. Кузелев¹

N.K. Syunyaev¹, A.V. Filippova², O.I. Syunyaeva¹, M.V. Tyutyunkova¹, M.M. Kuzelev¹ 

¹ФГБОУ ВО Калужский филиал РГАУ-МСХА имени К.А.Тимирязева

(Россия, 248007, г. Калуга, ул. Вишневского, 27)

²ФГБОУ ВО Оренбургский ГАУ

(Россия, 460014, г. Оренбург, ул. Челюскинцев,18) 

¹FGBOU the RGAU-MSHA Kaluga branch of K. A. Timiryazev

(Russia, 248007, Kaluga, Vishnevsky St., 27)

²FGBOU Orenburg GAU

(Russia, 460014, Orenburg, Chelyuskintsev St., 18)

e-mail: kf msxa@ kaluga.ru, ogau@mail.esoo.ru

В работе приводятся оригинальные экспериментальные данные, характеризующие общие закономерности структурных изменений гумусовых веществ черноземов под влиянием антропогенеза. Более существенные изменения в пахотных черноземах произошли с содержанием и запасами гумуса. Наблюдается активная дегумификация обыкновенного чернозема, сопровождающаяся расширением соотношения С_гф:С_фк, с возрастанием роли гуматов кальция и негидролизуемого остатка в формировании гумуса.

Original experimental data characterizing general laws of black earth humus matter structural changes under the influence of anthropogenesis are given in the article. More material changes happened to both humus content and its reserves. Active dehumification of ordinary black-earth is observed. 

Зеркалом жизни степей является ее почвенный покров, представленный черноземами различного таксономического уровня. Черноземные эталонные почвы постоянно развиваются и эволюционируют под воздействием естественных и антропогенных факторов, влияющих на интенсивность и направленность многочисленных почвообразовательных процессов. Эволюционные тренды в состоянии почвенного покрова оказывают влияние на здоровье самих степей, что отражается на экологии зональных регионов. Изучение количественных и качественных изменений в черноземных почвах является актуальной задачей.

Наиболее характерный признак черноземов – хорошо развитый органопрофиль, характеризующийся интенсивной темной окраской, высоким содержанием и запасами гумуса фульватно-гуматного или гуматного типа. Благодаря этому черноземы отличаются высоким уровнем потенциального плодородия, заметно превосходящим уровень плодородия почв других типов. Однако показатели эффективного плодородия пахотных черноземов часто довольно низкие, поскольку в результате длительного экстенсивного использования в сельском хозяйстве их органическая часть претерпела заметную трансформацию, преимущественно деградационного характера. Поэтому в последнее время большое внимание уделяется агроэкологической оценке антропогенной эволюции черноземов [1].

Общие закономерности изменения гумуса черноземов после распашки отражены в литературе [2-4]. Вместе с тем большой интерес представляет оценка трансформации гумусового состояния стояния черноземов в зависимости от местных условий, в первую очередь от характера использования пашни.

Методика. Объектами наших исследований служили обыкновенные черноземы естественно-антропогенного ландшафта Каменной степи на территории землепользования НИИСХ ЦЧП имени В.В. Докучаева, расположенного в Таловском районе Воронежской области. Образцы пахотного неорошаемого чернозема были отобраны на делянке с ячменем 10-польного севооборота, заложенного в 1971 г. Образцы пахотного орошаемого чернозема отбирали на делянки с многолетними травами 3-го года пользования 7-польного севооборота, заложенного в 1958 г. Полив осуществлялся дождеванием, оросительная норма в зависимости от погодных условий колебалась от 900 до 2000 м³/га за сезон. Глубина промачивания варьировала от 50 до 70 см. Образцы чернозема с есте­ственным процессом гумусообразования были отобраны на участке некосимой залежи с природной степной растительностью, существующей с 1882 г.

Из горизонтов А_пах и А образцы отбирали методом пунктирной ли­нии и составляли смешанный образец, в нижележащих частях профиля образцы отбирали по генетическим горизонтам. В почвенных образцах определяли содержание общего гумуса и физико-химические свойства, групповой и фракционный состав гумуса – по модифицированной схеме Пономаревой-Плотниковой, находили параметры гумусового состояния почв.

Результаты. Использование обыкновенных черноземов в богарном и орошаемом зем­леделии с оптимизированными севооборотами и сбалансированном внесением удобрений не привело к заметным изменениям физико-химических свойств по сравнению с почвой залежи (табл. 1).

Таблица 1

Физико-химические свойства обыкновенных черноземов Каменной степи

Более существенные изменения в пахотных черноземах произошли с содержанием и запасами гумуса (табл. 2).

Таблица 2

Содержание и запасы гумуса в обыкновенных черноземах Каменной степи

Содержание гумуса в горизонте А за период активного использования чернозема в богарном земледелии снизилось с 10,60 до 7,31%, а в верхней полуметровой толще почвы – с 8,48 до 6,39%. Запасы гумуса уменьшились в горизонте А с 225 до 154 т/га, в по­луметровом слое почвы – с 461 до 355 т/га. Таким образом, за период более чем 100-летнего с.-х. использования чернозема потери гумуса в пахотном слое составили около 31% от его исходного содержания, а в полуметровой толще почвы – около 25%.

В орошаемых условиях под влиянием кормового севооборота содержание и запасы гумуса хотя и возрастают, однако не на столько, чтобы радикально повысить степень гумусированности чернозема.

Данные, характеризующие изменение группового и фракционного состава гумуса чернозема под влиянием с.-х. использования, представлены в табл. 3.

Таблица 3

Влияние с.-х. использования на групповой и фракционный состав гумуса

В составе гумуса чернозема залежи явственно доминируют гуминовые кислоты (Г_к), относительное содержание которых в верхней полуметровой толще почвы находится на уровне 43-45%. Относительное содержание фульвокислот (Фк) существенно ниже – 21-23%, в связи с чем величина отношения С_гк : Сф_к варьирует в пределах 1,85-2,17.

Среди гуминовых кислот резко преобладают Г_к, связанные с кальцием, на долю, которых приходится 28-31% от общего углерода почвы. Еще более значительную роль эта фракция игра­ет в группе гуминовых кислот, где ее доля составляет 65-70% от общего содержания Г_к.

В горизонте А отмечается довольно высокое содержание гуминовых ки­слот фракции I – 12% от общего углерода почвы и почти 30% от общего содержания гуминовых кислот. В нижележащих горизонтах абсолютное содержание Г_к фракции I снижается в 5-6 раз. Их вклад в общий углерод почвы в горизонтах AB₁ и В₁ не пре­вышает 4%, а в суммарное количество Г_к – 10%

Содержание гуминовых кислот, прочно связанных с глинистыми минералами, наоборот, возрастает с глубиной. Если в горизонте А на долю гуминовых кислот приходится всего лишь около 3% от общего углерода почвы и 6% от суммарного количества Гк, то в горизонтах АВ, и В, их вклад в общий углерод почвы составляет 10-13% и 22-30% в общее количество Гк.

Столь низкое содержание гуминовых кислот фракции III в горизонте А может быть обусловлено обогащенностью его гумусом, в первую очередь скоагулированными гуматами кальция, которые слабо взаимодействуют с глинистыми минералами, но в то же время препятствуют сорбции на их поверхности фракций гуминовых веществ, менее чувствительных к этому иону.

В группе фульвокислот преобладает фракция I, относительное содержание которой уменьшается с 10% в горизонте А до 6% в горизонте В₁ и фракция II, вклад которой в общий углерод почвы составляет 7-9%. В сумме на эти две фракции приходится до 74% от общего количества фульвокислот. Суммарное содержание фракций Р и III не превышает 10% от общего углерода почвы и 26-36% от общего количества фульвокислот.

Длительное с.-х. использование обыкновенного чернозема в богарных условиях привело к снижению содержания всех групп гумусовых веществ, но не в одинаковой степени. В наибольшей мере минерализационные процессы затронули группу фульвокислот, общее содержание которых уменьшилось в 1,3-1,9 раза. Менее сущест­венно – в 1,2-1,5 раза снизилось общее количество гуминовых кислот. Это отразилось на величине отношения С_гк : С_фк, которая возросла в пахотном слое с 1,85 до 2,31, а нижеле­жащих горизонтах – с 2,03-2,17 до 2,16-2,29. В целом гумус пахотного чер­нозема характеризуется более гуматным составом в отличие от почвы залежи.

Довольно стабильной оказалась величина негидролизуемого остатка. Лишь в пахотном слое, где наиболее интенсивно протекают минерализационные процессы, величина негидролизуемого остатка уменьшилась в 1,2 раза.

Определенные изменения претерпел и фракционный состав гумуса. Так, в группе гуминовых кислот резко снизилось содержание фракции I, особенно в верхних горизонтах: в А_пах с 0,75 до 0,05%, или в 15 раз и в горизонте АВ₁ с 0,14 до 0,03%, или в 4,7 раза. Вклад этой фракции в формирование гумуса старопахотного чернозема минимальный и не достигает 2%. Менее однозначные изменения претерпела фракция гуминовых кислот, связанных с кальцием. Отчетливо выраженную трансформацию претерпевает и фракционный состав гумуса орошаемого чеинозема. В первую очередь обращает на себя внимание заметное увеличение количества гуминовых кислот фракции I. Особенно это касается пахотного слоя, где их содержание возросло в 9,2 раза. В нижележащих горизонтах содержание Гк хотя и снижается, но все рав­но остается существенно выше, чем в неорошаемой почве. Относительное содержание Гк-I в гумусовой части почвенного профиля варьирует в пределах 6,0-11,0% и близко к таковому чернозема залежи.

Существенно возрос вклад фракции Гк-I в общее содержание гуминовых кислот. Если в неорошаемом черноземе он составляет всего 2-3%, то в пахотном слое орошаемого чернозема на долю фракции Гк-I приходится 21% от суммы гуминовых кислот, а в горизонтах ABj и В₁ – 13 и 9% соответственно.

Возросло и количество гуминовых кислот, связанных с кальцием (фракция II). Это прослеживается в пределах всего гумусового слоя орошаемого чернозема, но наиболее отчетливо проявляется в горизонте AB₁ Здесь содержание Гк-П увеличилось по сравнению с богарным черноземом на 0,27%, а в горизонте В₁ – на 0,15%, тогда как в пахотном слое – только на 0,07%. Эта фракция гуминовых кислот играет доминирующую роль в составе гумуса орошаемого чернозема. На ее долю приходится от 33 до 39% от общего углерода почвы. Еще большее значение фракция Гк-II имеет в группе гуминовых кислот, где ее вклад составляет 74-80%.

Если судить по изменению относительного содержания Гк-II, то в их распределении по профилю орошаемого чернозема обнаруживается аналогия с черноземом залежи. Она проявляется в наличии своеобразного максимума, приуроченного к горизонту АВ₁, где относительное содержание Гк-II составило 39%, тогда как в го­ризонтах А_пах и В₁ было на уровне 33-37%. Такой характер распределения Гк-II по профилю чернозема может являться свидетельством миграции части веществ этой фракции из пахотного слоя в нижележащие горизонты в условиях орошения.

Содержание гуминовых кислот прочно связанных с минеральной частью почвы (фракция III) не очень высокое. Их относительное содержание колеблется в пределах 3-6%. По сравнению с неорошаемой почвой количество Гк-III несколько снижается, при этом на 3-17% уменьшается их вклад в общее содержание гуминовых кислот орошаемого чернозема. Принимая во внимание данное обстоятельство, можно говорить о развитии тенденции ослабления прочности связи гуминовых кислот с минеральной частью почвы под влиянием орошения.

Изменения фракционного состава фульвокислот менее существенны и связаны в основном с фракцией I. В горизонтах А_пах и АВ₁ орошаемого чернозема количество веществ, формирующих фракцию Фк-I, возросло на 0,12 и 0,20% соответственно, или в 2,7-3,5 раза. Существенно возросла роль фракции Фк-I в формировании груп­пы фульвокислот. По сравнению с неорошаемой почвой их вклад увеличился на 12-23%, причем в большей мере это характерно для верхней части почвенного профиля. Здесь на долю фракции Фк-I приходится 34-40% от общего содержания веществ фульватной природы, при этом в пахотном горизонте фракция Фк-I является доминирующей в группе фульвокислот.

Абсолютное содержание фракций Фк-II и Фк-III в большинстве случаев практически такое же, как и в неорошаемом черноземе, а относительное содержание каждой из них не превышает 10% от общего углерода почвы. При этом следует отметить, что если долевое участие фракции Фк-III в формировании группы фульвокислот мало изменилось по сравнению с неорошаемой почвой, то вклад фракции Фк-II снижается на 7-30%. Особенно заметно это проявляется в верхней части почвенного профиля, где доля Фк-II от общего содержания фульвокислот уменьшилась с 55-63 до 33-39%. Это обстоятельство может быть обусловлено тем, что в условиях орошения при данном характере использования пашни, с одной стороны, создаются менее благоприятные условия для закрепления фульвокислот ионами кальция, с другой – в большей мере по сравнению с богарой происходит формирование веществ фульватного типа, индифферентных к этим ионам.

Заключение. Вовлечение обыкновенного чернозема в пашню сопровождается активной минерализацией гумусовых веществ, потери которых примерно за столетний период достигают 30% в пахотном слое и 25% в полуметровой толще. Дегумификация обыкновенного чернозема сопровождается расширением отношения С_гк :        Сф_к, возрастанием роли гуматов кальция и негидролизуемого остатка в формировании гумуса. Более благопри­ятные условия для гумусообразования складываются в черноземе орошаемого севооборота под многолетними травами. Увеличение количества растительных остатков, поступающих в почву, и улучшение гидротермического режима интенсифицирует гумификацию, в результате чего возрастают содержание и запасы гумуса, а в составе гумуса пахотного слоя – количество гуминовых кислот, где и отмечается самая высокая величина отношения С_гк : Сф_к. Однако в орошаемых условиях возрастает подвижность гуминовых кислот, в т. ч. и гуматов кальция, часть которых перемещается в подпахотные горизонты. 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

1. Антропогенная эволюция черноземов / Под ред. акад.РАСХН А.П. Щербакова и канд.биол.наук И.И. Васенева. Воронеж: Воронеж. гос. ун-т, 2000. 412 с.
2. Кузелев М.М., Мамонтов В.Г., Сюняев Н.К., Свирдов А.К. Инфракрасные спектры поглощения гуминовых кислот обыкновенных черноземов каменной степи. Русский чернозем. Юбилейн. сб. науч. работ. Воронеж, 2007. С. 28-34.
3. Мамонтов В.Г., Сюняев Н.К., Афанасьев Р.А. Молекулярно-массовый состав гуминовых кислот обыкновенного чернозема при орошении // Плодородие. 2009. № 3. С. 28-30.
4. Мамонтов В.Г., Кузелев М.М., Сюняев Н.К. Влияние компонентного состава на характер связи гуминовых кислот с минеральной частью почвы // Тр. 5-ой Всерос. конф. «Гуминовые вещества в биосфере». СПб., 2010. Ч. 1. С. 273-276.