Анализ изменения состава и свойств черноземов лесостепи и степи Зауралья при распашке

Дипломная работа

Анализ изменения состава и свойств черноземов лесостепи и степи Зауралья при распашке

1 ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1 Генезис черноземов

1.2 Классификация черноземов

1.3 Понятие о мониторинге

1.4 Изменение свойств черноземов при их сельскохозяйственном использовании

1.5 Пути сохранения и повышения плодородия черноземов

2 УСЛОВИЯ И МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ

2.1 Условия почвообразования

2.2 Объекты и методика исследований

3 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

3.1 Морфологические признаки черноземов

3.2 Деградационные изменения состава и свойств черноземов лесостепи и степи при распашке

3.3 Урожайность яровой пшеницы на черноземных почвах

3.4 Почвенно-экологическая оценка черноземов

3.5 Рациональное использование черноземов лесостепной и степной зон Челябинской области

4 ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЧЕРНОЗЕМОВ ЧЕЛЯБИНСКОЙ ОБЛАСТИ

5 БЕЗОПАСНОСТЬ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ

5.1 Охрана труда

5.2 Охрана природы

ВЫВОДЫ

ПРИЛОЖЕНИЯ

Чернозем — уникальное творение природы, апогей почвообразования («царь почв»), эталон плодородия. Он имеет огромное биосферно-экологическое, экономическое и научное значение: на основе его исследования сформулирована парадигма генетического почвоведения.

На долю черноземов приходится половина пахотных угодий страны. Черноземы Южного Урала имеют относительно непродолжительную историю антропогенеза. В настоящее время это регион интенсивного развития сельского хозяйства и промышленности, с высокой распаханностью сельскохозяйственных угодий — 70−90%, лесистостью всего 2−3%, более 50% площади подвержено эрозии (Ф.Х. Хазиев, 2000).

На всей территории Челябинской области преобладают черноземы выщелоченные, на них приходится 39,3% пашни; черноземы обыкновенные составляют 34,8%, южные — 4,1%. В сумме почвы черноземного типа занимают более 78% площади пашни.

100 лет назад В. В. Докучаев говорил об ухудшении черноземов («Арабский скакун, загнанный, забитый,…»), предложил меры по их возрождению. Они осуществились фрагментарно (Каменная степь и другие), и сейчас деградация черноземов идет ускоренным темпом, охватив большие площади. По мнению А. П. Щербакова (2000), двадцатое столетие характеризуется резким усилением антропогенного воздействия на почвенный покров черноземной зоны.

Человек, превратив часть целинных земель в пашню, прервал течение естественных процессов. Теперь от его агрономической деятельности полностью зависят судьба пахотных почв, их развитие, плодородие и производительность.

Черноземные почвы обладают высоким потенциальным плодородием, но их эффективное плодородие зависит от теплои влагообеспеченности, биологической активности. В настоящее время происходит дегумификация почв, сокращение мощности гумусовых горизонтов, формирование дисбаланса элементов питания и гумуса. По данным Ф. Х. Хазиева (2000) происходит значительное подкисление почв, особенно черноземов лесостепи.

Производственная деятельность человека — мощный специфический фактор влияния на почву и на весь комплекс окружающих условий развития почвообразовательного процесса. Этот фактор сознательно направленного воздействия на почву, вызывающий изменение ее свойств и режимов, идет значительно более быстрыми темпами, чем это происходит под воздействием природного почвообразования. При этом характер и значимость изменений почвы зависит от социально-экономических, производственных отношений, уровня развития науки и техники.

В связи с этим темой исследования стало изучение деградационных изменений в черноземах лесостепной и степной зон Челябинской области, используемых в пашне. Данные исследования необходимы для создания картотеки и каталога геолого-почвенного музея института агроэкологии.

Объектами исследований послужили почвы, обследованные во время первой и третьей почвенных экспедиций института агроэкологии и в настоящее время являющиеся экспонатами геолого-почвенного музея.

Цель работы:

Изучить свойства черноземов лесостепи и степи Челябинской области на целине и пашне.

Задачи исследований:

Изучить свойства черноземов лесостепи (чернозема выщелоченного) и степи (черноземов обыкновенного и южного) в условиях целины.

Изучить изменение свойств черноземов лесостепи и степи при распашке.

Дать экологическую и экономическую оценку черноземным почвам на пашне и целине Челябинской области.

Определить оптимальные приемы использования черноземов Челябинской области.

Для уточнения таксономических единиц черноземных почв, данных в полевых условиях, на основании морфологических признаков, проведены аналитические исследования.

Рабочая гипотеза:

Свойства черноземов лесостепи подвержены деградации в меньшей степени, чем свойства черноземов степи.

1 ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1 Генезис черноземов

О происхождении черноземов высказано несколько гипотез. В. В. Докучаев (1949) считал, что черноземы образовались при изменении почвообразующих пород под действием климата, степной растительности и других факторов. Впервые эта гипотеза о растительно-наземном происхождении чернозема была сформулирована М. В. Ломоносовым в 1763 г. Академиком П. С. Палласом (1799) была выдвинута морская гипотеза происхождения чернозема: образовались из морского ила, разложения органических остатков растительности при отступлении моря (В.П. Ковриго и другие, 2000).

Третья гипотеза, высказанная Э. И. Эйхвальдом (1850), Н. Д. Бриляком (1852) заключается в том, что черноземы возникли из болот при постепенном их обсыхании.

Черноземы, по некоторым данным, — сравнительно молодые почвы. Исследования с помощью радиоуглеродного датирования показали, что они образовались в послеледниковое время в течение последних 10−12 тыс. лет. Возраст гумуса верхних почвенных горизонтов в среднем составляет не менее тысячи лет, а возраст более глубоких горизонтов — не менее 7 — 8 тыс. лет (Виноградов и другие, 1969).

Современные представления о происхождении черноземных почв, подтверждающие гипотезу их растительно-наземного происхождения, сложились на основании трудов В. В. Докучаева (1949), П. А. Костычева (1949), А. А. Измаильского, Г. Н. Высоцкого, Л. И. Прасалова, П. Г. Адерихина, Е. Л. Афанасьевой и других исследователей.

По данным Н. Ф. Ганжара (2001), ведущим процессом формирования черноземов является дерновый, сущность которого заключается в накоплении гумуса, аккумуляции биофильных элементов и формировании водопрочной структуры под воздействием травянистой растительности.

Ведущим элементарным процессом почвообразования (ЭПП) в черноземах является гумусообразование, для которого в этих почвах складываются наиболее оптимальные условия:

§ - высокое количество ежегодного опада;

§ - преобладающая часть опада растений (более 60%) поступает в почву в виде корней;

§ - высокое содержание оснований и азота в составе опада;

§ - высокое содержание оснований в почвообразующих породах;

§ - насыщенность минеральной части почв кальцием и магнием, близкая к нейтральной реакция среды;

§ - умеренная биологическая активность.

По мнению В. П. Ковриго (2000), перечисленные условия предполагают гуматный тип гумуса черноземов, сложность гуминовых кислот, преимущественное закрепление их в форме гуматов кальция, пониженное присутствие фульвокислот.

Процесс оструктуривания в черноземах протекает при взаимодействии гумусовых веществ с минеральной частью почвы (образуются устойчивые органо-минеральные соединения).

Вторичные минералы (монтмориллонит и другие) при черноземном процессе образуются как при выветривании первичных минералов, так и путем синтеза из продуктов разложения опада, но они не перемещаются по профилю почвы.

Вместе с накоплением гумуса идет закрепление важнейших элементов питания растений (N, P, S, Ca и др.), а также возникновение в гумусовом слое зернистых водопрочных агрегатов. Последние образуются в результате клеящей способности гумусовых веществ.

Неоднородность факторов почвообразования, изменение климатических условий, растительности определяют особенности черноземообразования в пределах зоны.

Наиболее благоприятные условия для черноземного процесса в южной части лесостепной зоны с оптимальным гидротермическим режимом, приводящим к формированию максимальной биомассы. Севернее более влажные условия климата способствуют выносу оснований из опада, выщелачиванию и даже оподзоливанию черноземов.

Южнее уменьшается количество атмосферных осадков, нарастает дефицит влаги в почве, снижается количество поступающих в почву органических остатков, усиливается их минерализация, что приводит к снижению интенсивности гумусообразования и гумусонакопления.

В соответствии с особенностями факторов почвообразования в зоне черноземов выделяют следующие подзоны: оподзоленных и выщелоченных черноземов, типичных черноземов, обыкновенных черноземов, южных черноземов. Первые две подзоны относятся к лесостепи, третья и четвертая — к степи.

Изменение климата, растительности в направлении с запада на восток привели к фациальным различиям черноземных почв, проявляющимся в разной мощности гумусового слоя, содержания гумуса, формах выделения карбонатов, глубине промывания, особенностях водного и теплового режима.

Дерновый процесс в черноземах сочетается с целым рядом ЭПП: элювиальных (выщелачивание, оподзоливание, лессиваж, осолодение), метаморфических (оглеение, оглинение, слитизация), гидрогенно-аккумулятивных (олуговение, засоление), иллювиально-аккумулятивных (карбонатно-иллювиальный) и других. В результате этих процессов формируются свойства, позволяющие разделять черноземы на разных таксонометрических уровнях (подтип, род, вид).

1.2 Классификация черноземов

Согласно современной классификации принято следующее разделение почв черноземного типа на подтипы и роды с учетом фациальных особенностей черноземообразования, свойств и режимов черноземных почв (И.С. Кауричев, 1989).

Классификация черноземов

На виды все черноземы делятся по следующим признакам:

— по мощности гумусового слоя — сверхмощные (>120 см), мощные (120−80 см), среднемощные (80−40 см), маломощные (40−25 см) и очень маломощные (<25 см);

— по содержанию гумуса — тучные (>9%), среднегумусные (9−6%), малогумусные (6−4%), слабогумусированные (2−4%) и очень слабогумусированные (<2%).

Кроме того, черноземы делятся на виды по степени выраженности сопутствующего процесса (слабо-, средне-, сильновыщелоченные, слабо-, средне-, сильносолонцеватые и т. п.).

В географическом распределении подтипов черноземов наблюдается четкая зональная закономерность. Поэтому зона черноземных почв с севера на юг подразделяется на подзоны: черноземов оподзоленных и выщелоченных, черноземов типичных, черноземов обыкновенных и южных.

1.3 Понятие о мониторинге

Под мониторингом понимают систему наблюдений, оценки и прогноза состояния окружающей природной среды (А.Г. Банников и другие, 1999).

Почвенному мониторингу в ней принадлежит важнейшая роль, так как почва представляет собой производную геологического и биологического круговорота веществ.

В зависимости от территориального охвата осуществляется федеральный (фоновый), региональный (природно-хозяйственный), локальный (биологический) мониторинг.

Мониторинг земель сельскохозяйственного назначения, в частности черноземов, в Челябинской области проводится по программе природно-хозяйственного и фонового мониторингов и носит комплексный характер. Его цель — раннее обнаружение развития неблагоприятных свойств почв и почвенного покрова при сельскохозяйственном использовании. Мониторинг осуществляется на стационарных пунктах, размещенных в различных почвенно-климатических зонах. Разрезы для отбора почвенных образцов закладываются на целине и пашне; пробы почвы на химические анализы отбираются по всем генетическим горизонтам (А.П.Козаченко, 1997).

Таким образом, основными задачами мониторинга земель являются:

своевременное выявление изменений состояния земельного фонда, их оценка, прогноз и выработка рекомендаций по предупреждению и устранению последствий деградационных процессов;

информационное обеспечение государственного земельного кадастра, рационального землепользования и землеустройства, контроля над использованием и охраной земель.

1.4 Изменение свойств черноземов при их сельскохозяйственном использовании

На черноземных почвах выращивают зерновые, технические, масличные, плодовые культуры. Сельскохозяйственное использование почв существенно изменяет природный процесс почвообразования. Прежде всего, изменяется характер биологического круговорота веществ, условия формирования водного и термического режимов (И.С. Кауричев, 1982). При возделывании сельскохозяйственных культур с пахотных угодий ежегодно отчуждается большая часть создаваемой биомассы, в почву поступает значительно меньше органических остатков. Дозы разового внесения удобрений ограничиваются не только их дефицитом и эффективностью использования, но и экологическими последствиями, например, избыток нитратов.

Снижение количества источников гумуса приводит к снижению содержания и запасов гумуса в пахотных черноземах (Н.Ф. Ганжара, 2001). При этом ухудшаются санитарно-защитные свойства, снижается биологическая активность почвы. Потери и недостаток легкоразлагаемых органических веществ неизбежно приводит к усилению процессов выпахивания: к ухудшению структуры, физических и водно-физических свойств, ухудшению питательного режима почв.

При сельскохозяйственном использовании на свойства черноземов влияют также приемы обработки почвы, минеральные и органические удобрения, сельскохозяйственная техника, режим орошения.

Влияние обработки на свойства черноземов

По мнению Г. Ф. Манторовой (2003), почва является саморегулирующейся системой, обеспечивающей в известных границах в течение многих лет естественное воспроизводство плодородия. Это свойство почвы не гарантирует сохранения постоянного уровня продуктивности пашни, тем более — ее повышения. В естественных условиях на целинных и залежных землях плодородие почвы увеличивается за счет использования энергии солнца зелеными растениями, оставляющими в почве энергетического материала больше, чем потребляют его для жизни.

Но естественное пополнение плодородия прекращается при отчуждении человеком продукции зеленых растений. Равновесие нарушается и вступает в силу закон возврата: надо вернуть земле, как минимум, то количество питательных веществ, которое отчуждено с урожаем.

Как известно, основная масса корней культурных растений размещается в верхнем слое почвы, послеуборочные остатки сохраняются на поверхности, что способствует гетерогенному строению пахотного слоя почвы и является причиной более мелкого размещения корней последующих культур. В районах с недостатком влаги верхний десятисантиметровый слой менее чем за две недели в условиях жаркой погоды пересыхает до мертвого запаса влаги. В нижних же слоях влага сохраняется в почве до середины июня. То есть имеет место противоречие: небольшие запасы доступных форм питательных веществ — в верхнем слое, а более благоприятный водный режим — в нижнем. Такое состояние приводит к резкой дифференциации слоев по плодородию.

В.И. Торжевский (1983) отмечал, что при длительном применении безотвальных способов обработки почвы происходит дифференциация пахотного слоя по плодородию. В. М. Холзаков (2001) наблюдал это явление на почве, обработанной как отвально, так и безотвально, и не только в конце вегетационного периода, но и в периоды между обработками. Кроме того, разные виды обработок оказывают неодинаковое воздействие на биогенную активность, агрофизические, водные свойства почвы.

В зависимости от характера и интенсивности обработок агрофизические свойства черноземов изменяются следующим образом. В опытах и производственных условиях длительная обработка почв оказывает незначительное влияние на механический и микроагрегатный состав. Напротив, структурно-агрегатный состав черноземов претерпевает значительные качественные и количественные изменения. Глыбистость почвы возрастает на 4−11% от веса. На 10−18% снижается содержание агрегатов агрономически ценного размера (10−0,25 мм), на 15−19% - водоустойчивость почвенной структуры, на 18−26% - механическая прочность и на 2−4% - пористость агрегатов размером от 5 до 0,25 мм. Средние показатели на целине (залежи) составляют соответственно 8, 15, 77, 55, 90 и 42%. Плотность сложения пашни сразу же после обработки снижается на 0,2 г/см3, после самоуплотнения возрастает на 0,08−0,21 г/см3 по сравнению с залежью. Водопроницаемость в максимально взрыхленном состоянии составляет 120−142 мм/г, при равновесной плотности — 53−62 мм/г (В.В. Медведев, 1979).

При распашке целинных черноземов происходит снижение гумуса и азота в пахотном слое и ухудшение других свойств почвы как под влиянием механических обработок и усиления минерализации гумуса, так и при воздействии эрозии.

Негативное воздействие тракторов на почву Тяжелая техника отрицательно влияет на почву. Так, в результате воздействия колес и гусениц тракторов в слое 0−10 см плотность сложения почвы может превысить 1,3 г/см3, содержание воздуха опуститься ниже критического (15%), твердость достигнуть 20 кг/см2, а водопроницаемость уменьшиться до 10−15 мм/час. Отрицательные изменения прослеживаются до глубины 50−60 см (И.С. Кауричев, 1982).

Обработка уплотненной почвы снижает ее плотность до 0,9−1,0 г/см3, но сопровождается образованием глыб даже в состоянии физической спелости. Способность такой почвы уменьшать плотность под действием переменного увлажнения и высушивания прослеживается до плотности 1,25 г/см3 Уплотненная весной почва наиболее разуплотняется к весне будущего года (но только в слое 0−10 см), менее всего — в течение лета. При более высокой исходной плотности способность почвы к разуплотнению заметно ослабевает (Проблемы почвоведения, 1982).

Влияние удобрений на водно-физические свойства черноземов

Исследования влияния удобрений на свойства черноземов проводились многими учеными. Отмечено (И.С. Кауричев, 1982): структурно-агрегатный анализ черноземов на удобренных (NPK по 60−90, 120−180 и 1200 кг д.в. на 1 га, а также отдельные виды удобрений в тех же дозах) и неудобренных вариантах показывает, что содержание глыб и пыли различается в них незначительно. В первые два года после внесения повышенных доз удобрений, особенно на фоне азотного удобрения, отмечается снижение содержания агрономически ценных агрегатов (с 70 до 60%), их водостойкости (с 49 до36%). Но через два-три года происходит восстановление исходного уровня оструктуренности.

На фоне полного минерального удобрения структурный состав (сухое просеивание) чернозема обыкновенного несколько улучшается, водоустойчивость снижается, вследствие чего на 10% снижается и водопроницаемость. Почвенно-гидрологические константы, плотность почвы и дифференциальная пористость изменяются незначительно.

При внесении в чернозем (мощный) 20−30 т/га навоза один раз в 4−5 лет повышаются водоустойчивость и водопроницаемость, но снижается равновесная плотность почв и отдельных агрегатов (с 1,26 до 1,20 г/см3 и с 1,55−1,60 до 1,49−1,51 г/см3). Обнаруживается некоторое увеличение содержания микроагрегатов крупнее 0,05 мм.

При внесении навоза в один прием в вегетационном опыте уже через полгода удается достичь улучшения водоустойчивости и водопроницаемости почвы (В.В. Медведев, 1979).

Влияние орошения на состав и свойства черноземных почв Черноземы обыкновенные и южные лимитированы во влаге, поэтому они являются объектами орошения. Орошение не только повышает урожайность сельскохозяйственных культур, но и наиболее существенно влияет на свойства почвы.

Исследование влияния длительного регулярного орошения на состояние черноземов показывает (В.П. Панфилов и другие, 1988), что под действием искусственного обводнения происходит: а) увеличение общего количества гуминовых кислот в основном за счет фракций, связанных с кальцием, и соответственное уменьшение количества подвижных гуминовых кислот; б) уменьшение общего количества фульвокислот за счет фракций, связанных с кальцием, при одновременном относительном увеличении их подвижных фракций; в) резкое уменьшение содержания гуминов; г) активный вынос водорастворимых фракций.

Увеличение количества солей в черноземах при орошении нередко стимулирует приобретение ими солонцеватости и других негативных признаков может; может быть следствием привноса их с поливными водами, минеральными удобрениями и возросшей интенсивности процессов минерализации биогенных остатков и гумуса.

При орошении реакция среды в черноземах сохраняется в пределах, свойственных типу почвообразования. Некоторые изменения показателей pHВОД. отражают активизацию при орошении черноземов процессов образования бикарбонатов и их внутрипочвенной вертикальной и боковой миграции (М.М. Разумова, 1977). Определение pHСОЛ применительно к черноземам обеспечивает возможность косвенной оценки состояния карбонатной системы, с которой тесно связана их подтиповая сущность. Способность подщелачивать раствор KCl закономерно убывает в ряду от типичного к оподзоленному чернозему.

В черноземах, ненормированно орошаемых в течение нескольких лет, намечается тенденция изменения катионного состава коллоидного комплекса в направлении увеличения относительной доли Mg2+ и Na+, т. е. развития явлений осолонцевания. Декальцирование коллоидного комплекса свойственно в большей или меньшей степени всей бескарбонатной толще профиля.

По данным И. С. Кауричева (1982), вызванное орошением изменение условий функционирования черноземов не выводит их на настоящем этапе из автоморфного режима.

Ненормированный режим орошения в почвенном профиле создает условия для прямых непродуктивных инфильтрационных потерь поливных вод и питательных элементов.

В профиле орошаемых черноземов происходят довольно значительные изменения в соотношении их водной, воздушной и твердой фаз. Суммарный эффект всех этих изменений выражается в уменьшении буферности черноземов в отношении переувлажнения. Заметно выражена тенденция снижения их водопроницаемости, особенно в нижних горизонтах Изменение гидрологического состояния и сложения черноземов сказывается на их теплофизических свойствах и температурном режиме.

Плодородие и мелиоративное состояние почв, их способность противостоять различным антропогенным воздействиям сильно зависят от их агрегатного состава. Отмечается ухудшение структурного состояния черноземов при длительном орошении: увеличение глыбистости, снижение водопрочности почвенных агрегатов, слитизацию.8).

Улучшение водного режима почв путем орошения стимулирует жизнедеятельность почвенной микрофлоры, в результате чего могут усиливаться процессы минерализации органических веществ (В.П. Панфилов и другие, 1988).

Таким образом, при неконтролируемом использовании оросительной воды, эксплуатации сельскохозяйственной техники происходит деградация свойств черноземов. Она усиливается при длительной механической обработки в условиях применения низких доз органических и минеральных удобрений.

1.5 Пути сохранения и повышения плодородия черноземов

Важнейшая задача сельскохозяйственного производства на черноземных почвах — правильное использование их высокого потенциального плодородия, предохранение гумусового слоя от разрушения.

Черноземные почвы обладают высоким потенциальным плодородием, но их эффективное плодородие зависит от теплои влагообеспеченности, биологической активности. Черноземы лесостепи характеризуются лучшей влагообеспеченностью по сравнению со степными черноземами. Продуктивность их выше. Уровень эффективного плодородия степных черноземов снижается из-за ухудшения условий влагообеспеченности, снижения биологической активности, проявления периодических засух.

Для повышения эффективного плодородия черноземных почв очень важно накопление влаги и ее рациональное использование, особенно в подзонах распространения обыкновенных и южных черноземов. Поэтому рекомендуются следующие агротехнические мероприятия: ранняя глубокая зябь, прикатывание, осеннее бороздование и щелевание полей для поглощения талых вод и предотвращения эрозии (В.П. Ковриго и др., 2000).

Перспективным приемом повышения продуктивности черноземов является орошение. Но орошение должно быть строго регулируемым, сопровождаться тщательным контролем над изменением свойств черноземов (В.П. Панфилов, и другие, 1988).

Эффективное плодородие черноземов в пределах каждого подтипа определяется родовыми и видовыми признаками: степенью солонцеватости и карбонатности, мощностью гумусовых горизонтов и содержанием гумуса, механическим составом, степенью эродированности, свойствами и мощностью почвообразующих пород, а также уровнем окультуривания почв. Чем больше мощность гумусовых горизонтов и запасы гумуса, тем богаче черноземы общими запасами элементов питания, тем благоприятнее водный режим. Поэтому в черноземах наблюдается прямая корреляция между урожаем сельскохозяйственных культур и мощностью гумусового слоя, запасами гумуса. Чтобы стабилизировать и повысить содержание гумуса в черноземах, необходимо, прежде всего, остановить эрозию внедрением комплекса почвозащитных мероприятий Таким образом, основные пути сохранения и повышения плодородия черноземов — рациональные приемы обработки (в том числе, внедрение минимальной обработки) почвы, накопления и правильного расходования влаги, внесение удобрений, улучшение структуры посевных площадей, введение высокоурожайных культур и сортов, борьба с эрозией (И.С. Кауричев, 1989).

2 УСЛОВИЯ И МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ

Исследования проводились по материалам первой почвенной экспедиции, проходившей в июне 2001 года и третьей — в июле 2003 года. Маршрут экспедиции института агроэкологии пролегал с севера на юг Челябинской области, исследования почвенного покрова проводились в пределах лесостепной и степной зон.

2.1 Условия почвообразования

Челябинская область расположена на предгорной части лесостепи и степи Западно-Сибирской равнины и на территории восточного склона Уральских гор. Более? территории области находится в лесостепном и степном Зауралье и около? — в горном Урале. Значит, сложившиеся условия области, обладающей четко выраженной природной зональностью в силу географического расположения, обуславливают следующие условия почвообразования: климат, растительность, рельеф и почвообразующие породы.

Характеристика агроклиматических ресурсов Челябинской области представлена в таблице 1.

Таблица 1

Характеристика агроклиматических ресурсов Челябинской области (А.П. Козаченко, 1997)

Северная лесостепная зона — это зауральская холмистая равнина. Климат характеризуется умеренно теплым вегетационным периодом. На всей территории преобладают черноземы выщелоченные, меньше — черноземы обыкновенные.

Южная лесостепь расположена в пределах зауральского пенеплена и Западно-Сибирской низменности. Она характеризуется относительно большим количеством тепла и явным дефицитом влаги. Рельеф зоны типично равнинный. В почвенном покрове преобладают черноземы выщелоченные — 49% пашни, черноземы обыкновенные — 26%.

Степная зона представлена предгорной и равнинной степью. Предгорная часть зоны отличается достаточно теплым и умеренно засушливым климатом, равнинная — наиболее теплым, но засушливым климатом. Занимая восточную часть предгорья Южного Урала, степная зона представляет собой сочетание вытянутых с юга на север увалов и плоских водоразделов. Почвенный покров зоны представлен черноземами обыкновенными, выщелоченными и солонцами. Почвообразующими породами являются желто-бурые карбонатные суглинки.

Естественные лесные, луговые, лугово-степные и степные растительные группировки в достаточно полной мере обеспечивают протекание процессов почвообразования.

Погодные условия Осадков за вегетационный период 2001 года было меньше нормы. Начало лета теплое, влаги в почве достаточно. Средняя температура воздуха за июль составила 17,4 0C, что на 0,5 0C ниже нормы.

Вегетационный период 2003 года характеризуется как умеренно влажный и теплый. В мае выпало 60,2 мм осадков (при норме 42 мм). Июнь оказался теплым и влажным: средняя температура за месяц 15,4 0C (при норме 16,4 0C), выпало 103,2 мм осадков (52 мм). Июль жаркий: средняя температура 18,1 0C (16,2 0С); за месяц выпало 53,5 мм осадков (82 мм).

2.2 Объекты и методика исследований

Объектами исследований послужили черноземные почвы, изученные во время первой и третьей почвенных экспедиций и в настоящее время являющиеся экспонатами геолого-почвенного музея.

Маршрут полевых почвенных исследований экспедиции пересекал разные природные зоны, при этом использовался сравнительно-географический метод исследования (Принципы организации и методы стационарного изучения почв, 1976). Сравнительно-географический метод выявляет зависимости между почвами, их свойствами и составом, с одной стороны, и совокупностью факторов почвообразования, с другой.

В каждой природной и почвенной зонах использовался метод заложения почвенно-геоморфологических профилей (И.С. Кауричев, 1982). Сущность метода заложения почвенно-геоморфологических профилей заключается в заложении почвенных разрезов на характерных элементах рельефа. Результаты исследований можно использовать для характеристики почв аналогичных почвенно-геоморфологических профилей почвенных зон или подзон.

При изучении черноземов использовался и сравнительно-аналитический метод, который позволяет путем применения химических, физико-химических и других методов анализа судить о составе и свойствах почв.

Почвенный покров черноземной зоны является комплексным: на близком расстоянии друг от друга встречаются различные по генезису и свойствам почвы. В данной работе сравниваются зональные почвы — черноземы равнинных территорий на целине и на пашне.

В лабораторных условиях выполнены следующие анализы черноземных почв:

— NPK — подвижные формы;

— pH водной вытяжки;

— содержание гумуса;

— гранулометрический состав;

— плотность твердой фазы;

— плотность сложения;

— наименьшая влагоемкость;

— гигроскопическая влага (для перерасчета на абсолютно сухую почву);

— агрегатный состав (сухое просеивание);

— водопрочность структуры (мокрое просеивание).

Анализы выполнены по общепринятым методикам (Н.Ф. Ганжара. 2002; А. А. Яскин и другие, 1999).

При изучении черноземов использовался метод сравнения (И.С. Кауричев, 1982).

Урожайность яровой пшеницы определялась на полях, где были заложены разрезы в трех повторениях по каждому подтипу черноземов:

чернозем выщелоченный (опытное поле института агроэкологии);

чернозем обыкновенный (Увельский район, колхоз «Рассвет»);

чернозем южный (Брединский район, совхоз «Первомайский»).

Результаты по урожайности яровой пшеницы обрабатывались математически методом дисперсионного анализа (Б.А. Доспехов, 1985).

Методика почвенно-экологической оценки Методика почвенно-экологической оценки разработана в Почвенном институте РАСХН (И.И. Карманов, 1985). Она позволяет оценить состояние почв различных угодий. Технология выполнения работ по данной методике состоит в следующем:

— подготовка почвенно-агрохимических и агроклиматических данных;

— почвенно-экологическая оценка.

Почвенно-экологическая оценка Проводится на основании свойств почв и климатических показателей. В основу положен расчет почвенно-экологического индекса (ПЭи) по формуле (1), предложенной Л. Л. Шишовым и другими (Д.Н. Дурманов, И. И. Карманов, 1991):

(1)

где ПЭи — почвенно-экологический индекс;

V — плотность (объемная масса) почвы в среднем для метрового слоя, г/см3;

2 — максимально возможная плотность г/см3;

П — «полезный» объем почвы в метровом слое;

Дс — дополнительно учитываемые свойства почвы: содержание гумуса, рН, степень эродированности и другие;

t>10 — среднегодовая сумма активных температур;

Р — поправка к коэффициенту увлажнения;

КК — коэффициент континентальности;

А — итоговый агрохимический показатель содержания элементов питания.

Расчет почвенно-экологических показателей Множитель 12,5 является постоянным для всех типов почв.

Величина 2-V рассчитывается на основании объемной массы метрового слоя почвы с учетом поправки на коэффициент увлажнения (КУ-Р).

Коэффициент П позволяет учитывать полезный объем почвы различного гранулометрического состава.

Среди дополнительных свойств почв (Дс) важнейшим является содержание гумуса.

Коэффициент на содержание гумуса (Кг) рассчитывается следующим образом. Фактическое содержание гумуса в конкретной почве сравнивается со средним содержанием по региону в почве того же типа. Отношение выражается в процентах, и по его величине находят Кг.

Определение климатических показателей Коэффициент увлажнения КУ-П определяется по формуле (2):

КУ=, (2)

где Дк — дополнительный коэффициент; Дк=5,1 для лесостепной зоны, Дк=4,9 для степной зоны.

Ос — среднегодовая сумма осадков, мм

Уt>10 — среднегодовая сумма активных температур.

Рассчитанные по этой формуле величины КУ, превышающие 1,10, принимаются 1,10. Поправку к коэффициенту увлажнения берут в соответствии с таблицей.

Коэффициент континентальности КК рассчитывается по формуле (3):

(3)

где t max — среднемесячная температура самого теплого месяца;

t min — среднемесячная температура самого холодного месяца;

цширота местности.

Агрохимические показатели характеризуют, прежде всего, содержание элементов питания — подвижного фосфора и обменного калия. Коэффициенты взяты из литературных источников (А.П. Козаченко, 1999).

3 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

3.1 Морфологические признаки черноземов

Морфологические признаки черноземов выявлены при описании их профилей (рисунок 1).

Рисунок 1 — Профили черноземов на целине: А — выщелоченного;

Б — обыкновенного; В — южного

Разрез 1. Целина. Равнина. Чернозем выщелоченный среднемощный среднесуглинистый. Растительность — разнотравно-ковыльно-типчаковая.

Дернина.

Темно-серый, почти черный, пылевато-комковатый, слабо уплотнен, средний суглинок, густо пронизан корнями, переход постепенный.

Темно-серый с коричневым оттенком, комковатый, тонкопористый, ходы корней, переход постепенный.

Бурый с гумусовыми затеками и примазками, вскипает от НCl с глубины 73 см, карбонаты в виде псевдомицеллия, призматический, уплотнен, переход отчетлив, граница выделена по скоплению карбонатов.

Белесесовато-бурый, вскипает, карбонаты в виде пропитки, призматический, уплотнен, переход постепенный.

Белесовато-бурый с белесыми пятнами, вскипает, карбонаты в виде пятен и пропитки, призматический, тонкопористый, плотный.

Разрез 2. Пашня. Равнина. Посев пшеницы (опытное поле). Чернозем выщелоченный маломощный, среднесуглинистый.

Темно-серый, пылевато-комковатый, рыхлый, тонкопористый, густо пронизан корнями, слабоуплотнен, суглинок средний, переход постепенный.

Темно-серый, призматически-комковатый, уплотнен, густо пронизан корнями, переход заметный.

Темно-серый с белесоватым оттенком, комковатый, тонкопористый, густо пронизан корнями, переход постепенный.

Бурый с сероватыми затеками, неоднородный, вскипает от НСl с глубины 56 см, карбонаты в виде псевдомицеллия, тонкопористый, призматический, уплотнен, переход постепенный.

Белесовато-бурый, со слабыми затеками гумуса, вскипает, карбонаты в виде пропитки, призматический, уплотнен, переход постепенный.

Белесовато-бурый, с белесыми пятнами, вскипает, карбонаты в виде пятен пропитки, призматический, тонкопористый, плотный.

Разрез 3. Целина. Равнина. Чернозем обыкновенный среднемощный среднесуглинистый. Растительность — разнотравно-типчаково-ковыльная.

Дернина.

Темно-серый, почти черный, слабо уплотнен, комковато-зернистый, средний суглинок, корни растений, переход постепенный.

Темно-серый с ясным буроватым оттенком, слабо уплотнен, комковато-призматический, корни растений, переход постепенный.

Буровато-серый, неоднородный по цвету, с гумусовыми затеками, уплотнен, крупнокомковатый, корни растений, вскипает от НCl, карбонаты в виде «белоглазки», переход заметный.

Бурый, неоднородный, с гумусовыми затеками, уплотнен, призматический, пятна карбонатов в виде «белоглазки», вскипает бурно, переход постепенный.

Бурый, рыхлый, непрочно призматический, бурно вскипает.

Разрез 4. Пашня. Равнина. Посев пшеницы (колхоз «Рассвет» Увельского района). Чернозем обыкновенный среднемощный, среднесуглинистый.

Темно-серый, рыхлый, комковатый, среднесуглинистый, корни растений, плотный, переход ясный по плотности.

Темно-серый, уплотнен, призматически-комковатый, корни растений, переход заметный.

Буровато-серый, уплотнен, призматически-комковатый, корни растений, переход постепенный.

Неоднородно окрашен, буровато-серый с буроватыми заклинками, уплотнен, крупнокомковатый, вскипает от НСl, карбонаты в виде «белоглазки», корни растений, переход ясный.

Бурый с гумусовыми затеками, неоднородный, уплотнен, призматический, бурно вскипает, карбонаты в виде «белоглазки» и присыпки, переход постепенный.

Бурый, слабо уплотнен, призматический, бурно вскипает от НCl, карбонаты в виде пятен и присыпки.

Разрез 5. Целина. Равнина. Чернозем южный солонцеватый среднемощный среднесуглинистый. Растительность — типчаково-ковыльная с примесью разнотравья.

Дернина.

Темно-серый с коричневым оттенком, слабоуплотнен, комковатый, густо пронизан корнями, тонкопористый, переход постепенный по цвету, заметный по структуре.

Коричнево-бурый, комковато-призматический, густо пронизан корнями, тонкопористый, глянец и полив, плотный, переход постепенный.

Бурый с сероватыми затеками, белесыми пятнами, влажный, неоднородный, вскипает бурно от НСl, карбонаты, тонкопористый, ореховато-призматический, переход постепенный.

Белесоватый, призматический, плотный, вскипает от НСl, карбонаты в виде «белоглазки», неоднородный, переход постепенный.

Бурый с белесым оттенком, призматический, плотный, вскипает, карбонаты, тонкопористый.

Разрез 6. Пашня. Равнина. Посев пшеницы (совхоз «Первомайский» Брединского района). Чернозем южный среднемощный, среднесуглинистый.

Серый с буроватым оттенком, рыхлый, комковато-пылеватый, густо пронизан корнями, ходы корней, тонкопористый, переход постепенный по цвету, резкий по структуре и плотности.

Буровато-серый, плотный, густо пронизан корнями, ходы корней, ореховатый, глянец и полив, тонкопористый, переход постепенный.

Бурый с сероватыми затеками, белесыми пятнами, неоднородный, вскипает бурно от НСl, карбонаты, тонкопористый, ореховато-призматический, переход постепенный.

Белесовато-бурый, с белесыми пятнами, неоднородный, вскипает от НСl, карбонаты в виде «белоглазки», плотный, призматический, переход постепенный.

Бурый с белесым оттенком и белесыми пятнами, вскипает, карбонаты, плотный, призматический, тонкопористый.

Анализ полученных данных показывает, что в пахотном слое черноземов происходит изменение структуры почвы в сторону ее ухудшения: комковатая структура сменяется комковато-пылеватой или пылевато-комковатой. Все распаханные черноземы имеют рыхлое сложение. Ниже пахотного горизонта отчетливо выделяется плужная подошва. На целине почва слабо уплотнена. Нижняя часть профилей почв не затронута негативным воздействием техники, нет изменений в плотности, не выявляется подтягивание легкорастворимых солей. Следовательно, в большей степени подвержена разрушительным процессам верхняя наиболее плодородная часть почвы. Ухудшение структурного состояния поверхности почвы уменьшает ее сопротивляемость процессам выдувания и смыва мелкозема, особенно сильно это проявляется в весенний период, когда почва лишена растительности.

Анализ описания профилей почв показывает, что на распаханных участках черноземов имеют место эрозионные процессы, захватывающие только верхнюю часть гумусового слоя.

Наблюдается различие в мощности гумусового слоя чернозема выщелоченного: на целине 42 см, на пашне — 36 см, в черноземах южном и обыкновенном различия по данному показателю не значительны (57 и 56 см, 49 и 46 см соответственно).

Изменение внешних признаков черноземов происходит в зависимости от того, в каких климатических условиях они формировались, следовательно, почвообразовательные процессы будут различны. Процесс выщелачивания характерен только для черноземов выщелоченных. Внешними признаками его является очень слабая белесоватость, отсутствие буроватого оттенка в гумусовом горизонте. В черноземах южных отчетливо проявляется процесс осолонцевания, внешне он выражается в уплотнении горизонта В1 и образовании ореховатой структуры, то есть на основной гумусово-аккумулятивный процесс накладывается солонцовый, снижающий уровень плодородия этих почв.

Таким образом, выраженность комковатой структуры, окраска черноземов свидетельствуют о развитии гумусово-аккумулятивного процесса. Черноземы выщелоченные характеризуются большим его проявлением, как на целине, так и на пашне, слабее этот процесс протекает в южных черноземах. Наиболее подвержена снижению гумусово-аккумулятивного процесса пашня.

3.2 Деградационные изменения состава и свойств черноземов лесостепи и степи при распашке

3.2.1 Физические и водные свойства

В условиях интенсивного сельскохозяйственного использования для разработки прогноза возможных изменений свойств почвы необходимо знание вопросов почвообразования.

В свою очередь, для агрономической и генетической характеристики почвы используется интегральный показатель сложения почвы — ее плотность, которая влияет на поглощение влаги и ее передвижение в профиле. Газообмен определяет направление и интенсивность микробиологических и биохимических процессов. Верхние горизонты почвенного профиля, содержащие больше органического вещества, лучше оструктуренные, подвергающиеся рыхлению, имеют меньшую плотность, которая вниз по профилю возрастает.

Увеличение плотности сложения в переходном гумусовом горизонте почв нередко является проявлением солонцового процесса почвообразования, который выявляется уже при морфологическом описании профиля почвы.

По данным А. П. Щербакова (2000), воздействие сельскохозяйственной техники на влажную почву стало приводить к значительному переуплотнению, которое сопровождается иссушением, цементацией, растрескиванием почвы, как результат, существенным снижением средней продуктивности сельскохозяйственных культур (на 10−40%). Значительное повышение плотности сложения в подпахотном горизонте свидетельствует об образовании плужной подошвы. Однако, как указывает Н. Ф Ганжара. (2001), при измерении плотности почвы сразу после вспашки она ниже, затем постепенно повышается и приходит в равновесное состояние (равновесная плотность).

Гранулометрический состав и содержание гумуса в почвах — основные факторы, определяющие их физические и водные свойства (таблица 2).

Таблица 2

Физические и водные свойства черноземов

Анализ данных таблицы 2 показывает, что пахотный слой всех черноземов на пашне в слое до 20 см имеет плотность сложения 1,1 и 1,15 г/см3 которая, по С. И. Долгову (1966), характеризуется как оптимальная. В подпахотных горизонтах плотность возрастает до 1,38−1,40 г/см3.

Плотность почвы также увеличивается в иллювиальных горизонтах выщелоченных черноземов, карбонатных (В3) и солонцеватых иллювиальных горизонтах (В1 и В2) обыкновенных и южных черноземов.

Постепенно вниз по профилю в соответствии с распределением гумуса увеличивается плотность сложения черноземов выщелоченных на целине. Использование этого чернозема в пашне способствует возрастанию плотности сложения в подпахотном горизонте до 1,40 г/см3 и отчетливому проявлению плужной подошвы.

В черноземах обыкновенных и южных на пашне также выявляется плужная подошва, но повышение плотности сложения в этих почвах меньше по сравнению с выщелоченными черноземами. Вероятно, это связано с водным режимом исследованных почв.

Черноземы выщелоченные являются более увлажненными (периодически промывной тип водного режима), поэтому при воздействии тяжелой техники происходит большая деформация подпахотного горизонта, по сравнению с обыкновенными и южными черноземами (непромывной тип водного режима).

Следует отметить резкое повышение плотности сложения в горизонте В1 южных черноземов на целине (1,37 г/см3), что свидетельствует о проявлении солонцового процесса почвообразования на фоне основного гумусово-аккумулятивного. На это указывает и содержание физической глины (частиц <0,01 мм); их количество увеличивается в горизонте В1 как целинных, так и пахотных почв (что выявляется и морфологически).

В условиях степной зоны гумусово-аккумулятивный процесс в разной степени проявляется в зональных почвах — черноземах обыкновенных и южных.

Плотность твердой фазы, в исследуемых черноземах определяется содержанием в почве компонентов органической и минеральной частей. Этот показатель увеличивается вниз по профилю в соответствии с уменьшением содержания гумуса.

Черноземы южные как на целине, так и на пашне имеют более высокую плотность твердой фазы, чем выщелоченные и обыкновенные (таблица 2). Следует отметить повышение плотности твердой фазы при распашке всех подтипов черноземов в результате потери почвой органического вещества.

Различия плотности сложения и плотности твердой фазы почвы черноземов лесостепи и степи обусловили различия в общей порозности, которая зависит от гранулометрического состава, структурности, деятельности почвенной фауны, содержания органического вещества, в пахотных горизонтах — от частоты и приемов обработки и окультуренности почвы. Хорошая оструктуренность, рыхлость черноземов определяют высокую порозность в их гумусовых горизонтах.

Данные таблицы 2 свидетельствуют об удовлетворительной порозности в горизонтах, А всех целинных земель. Она составляет 53−54% от объема почвы. При обработке черноземов порозность повышается до 57−59%, что, по шкале Н. А. Качинского, характеризует пахотный слой как культурный с отличной порозностью (И.С.Кауричев, 1982). Однако в подпахотном горизонте выщелоченного и обыкновенного черноземов в результате воздействия техники порозность снизилась до 48−49%.

В черноземе южном, в отличие от других, даже на целине в горизонте В1 порозность составляет 49%, а при использовании под пашню снижается до 47%. Эта тенденция свидетельствует о воздействии техники на свойства чернозема южного при выраженном солонцовом процессе почвообразования.

Наименьшая влагоемкость (НВ), по классификации А. А. Роде (1975), характеризует наибольшее количество капиллярно — подвешенной влаги, которое может удерживать почва после стекания избытка влаги при отсутствии подпора грунтовых вод (глубоком залегании).

Изучаемые черноземы находятся в разных по увлажнению условиях, что важно для хода почвообразования, микробиологических процессов.

Величина НВ зависит от гранулометрического состава почвы, ее плотности, структурного состояния и содержания гумуса. Так как черноземы для исследований взяты одинакового гранулометрического состава — среднесуглинистые, то можно сказать, что НВ будет определяться в основном содержанием гумуса.

С уменьшением содержания гумуса и физической глины (частиц <0,01 мм) значение величины НВ изменяется. Показатель НВ на целине в горизонте, А наибольший (26,0%) — у выщелоченных и наименьший (22,4%) — у южных черноземов, что связано с содержанием гумуса при одинаковом гранулометрическом составе.

На пашне величина показателя НВ уменьшается в связи со снижением гумуса при деградации (таблица 2). Но в целом, водоудерживающая способность черноземов среднесуглинистых лесостепи и степи достаточно высокая.

Запасы влаги в слое 0−100 см при НВ различаются в зависимости от вида угодья и почвенной подзоны: на пашне в черноземе выщелоченном они составляют 328 мм; обыкновенном — 349 мм; южном — 290 мм; на целине они выше: 336 мм, 353 мм, 299 мм соответственно.

Таким образом, запасы влаги при НВ снижаются в южной части степной зоны. Это связано с развитием ветровой эрозии, о чем свидетельствует понижение содержания частиц меньше 0,01 мм в горизонте, А чернозема южного, особенно на пашне.

3.2.2 Агрегатный состав

Совокупность агрегатов различной величины, формы и качественного состава называется структурой почвы. Структура — важнейшая агрономическая характеристика почв. От нее зависят общие физические, физико-механические, водные, воздушные и тепловые свойства почв, окислительно-восстановительные условия и связанные с ними условия микробиологической деятельности и другие свойства и режимы почв.

Распределение структурных агрегатов в массе почвы в соответствии с их размерами определяет агрегатный состав почвы. По данным А. А. Яскина и других (В.П. Ковриго, 2000), структурные агрегаты по размеру делят на 3 группы: глыбистая структура — размер более 10 мм; макроструктура — размер 10,0−0,25 мм; микроструктура — размер менее 0,25 мм.