Состояние почв агроландшафтов Южного Урала и пути их рационального использования

Актуальность работы. Усиление вмешательства человека в естественные природные процессы, увеличение техногенных нагрузок на окружающую среду в современный период приводит к непредсказуемым последствиям локального, регионального и глобального масштаба. По данным ООН, общая площадь разрушенных в мире земель составляет 20 млн. км [56]. По мнению Г. В. Добровольского, Б. Ф. Апарина и других [79], теперь немыслимо стремиться к устойчивому развитию общества без специфических знаний о «геодерме», бесперспективно ставить задачи познания многообразных явлений в биосфере без привлечения науки, занимающейся столь сложным биосферным объектом — почвой.

Становление рыночной экономики в России привело к преобразованию в первую очередь земельных отношений с целью получения необходимой для населения продукции и, в то же время, — обеспечения охраны окружающей среды.

Если почвенные ресурсы России, в целом, весьма ограничены для интенсивного развития земледелия [297], то почти вся равнинная лесостепная и степная части Южного Урала представлены плодородными черноземами, отнесенными к землям сельскохозяйственного назначения. Открытие археологического памятника Аркаима на юге Челябинской области показывает, как сложны взаимодействия человека и природы, насколько велико разрушение почвенного покрова, вызванные даже древним человеком, как длителен период восстановления плодородия почв.

Однако сегодня вопросам диагностики состояния почвенного покрова в среде антропогенного воздействия, анализу физических и водных свойств почв и их управлению путем решения теоретических и научно-методических проблем орошаемого и богарного земледелия с целью создания устойчивых агроэкосистем, рационального использования и охраны почв здесь уделяется недостаточное внимание. Для решения этих задач значение приобретает региональный агроэкологический мониторинг почв.

Первый планомерный мониторинг по комплексной оценке пахотных почв (и солонцов) наиболее техногенной территории Южного Урала был проведен в Челябинской области в 80-е и 90-е годы XX века в лаборатории агрохимии Челябинского НИИСХ Ю. Д. Кушниренко с сотрудниками [162, 163, 185, 186, 187, 199, 244].

Эти исследования показывают, что при резком сокращении применения удобрений в сельском хозяйстве состояние земельного фонда характеризуется как критическое [137]. Это сказывается на урожайности основных сельскохозяйственных культур. В среднем за 1999;2004 годы получено: зерновых — 11,3 ц/га, картофеля — 103 ц/га, овощей — 116 ц/га, что ниже, чем в других областях Южно-Уральского региона [198].

В связи с этим все острее встает вопрос о научно-обоснованном использовании почв Южного Урала, не приводящем к резким изменениям природно-ресурсного потенциала, сохранении наиболее благоприятного режима для его воспроизводства и охраны почв.

Диагностика состояния не только черноземов, но и всего разнообразия почв агроландшафтов служит основой создания новых форм, технологий управления их агроэкологическими параметрами в регулируемых условиях, их оценки. Например, разработка модели адаптивно-ландшафтных систем земледелия для южной части лесостепной зоны Уральского региона на основе изучения региональных особенностей почв и проверенная в опытно-производственном хозяйстве Челябинского НИИ сельского хозяйства «Троицкое» на площади 17,4 тысячи га, позволила улучшить экологическое состояние почв агроландшафтов [180]. Распространение этих систем земледелия на всей территории Южного Урала требует значительной доработки и расширения сведений о почвах.

Наступающее потепление климата вызывает все большую необходимость регулирования водного режима почв, что невозможно без углубленного знания их физических и водных свойств.

В связи с вышесказанным исследование состояния почв агроландшаф-тов, решение проблемы их рационального использования и охраны на фоне усиливающейся кризисной ситуации в природе, растущими задачами интенсивного развития промышленности и сельского хозяйства в наиболее промышленной части России, к которой относится Южный Урал, являются актуальными.

Цель работы. Выявить изменения в строении, составе и свойствах почв зональных и интразональных агроландшафтов Южного Урала при антропогенном воздействии, наметить пути их рационального использования.

Задачи исследований.

1. Получить современные данные по региональным особенностям почв зональных и интразональных лесостепных и степных типов агроландшафта.

2. Выявить и охарактеризовать изменение свойств черноземов под влиянием сельскохозяйственного использования.

3. Изучить возможность естественного восстановления свойств черноземов измененных агроландшафтов.

4. Исследовать поведение влаги в черноземе и на этой основе создать методическую базу для почвои водосберегающих технологий орошаемого земледелия.

5. Изучить состояние рекультивируемых и урбанизированных почв сельскохозяйственного назначения.

6. Создать банк почв агроландшафтов Южного Урала.

Научная новизна. Определены региональные особенности черноземов равнинных слабоизмененных агроландшафтовустановлено изменение основных свойств почв в результате сельскохозяйственного использования, техногенного воздействия и урбанизациипредставлены данные по состоянию рекультивируемых почв сельскохозяйственного назначенияпоказана важность сохранения естественного строения профиля почв в условиях высокой техногенной нагрузки на Южном Уралеизучены почвы реликтовых боров, показана необходимость их консервации в водоохранных, почвозащитных целях и научных интересахнаучно обоснована методика почвои водосбрегающей технологии орошаемого земледелияпостроена материальная модель почв Южного Урала.

Защищаемые положения. 1. Почвы агроландшафтов Южного Урала имеют региональные особенности, и по совокупности генетических свойств наиболее предрасположены к деградации черноземы южные степного зонального агроландшафта.

2. Разработка и внедрение почвои водоохранных технологий земледелия на основе поведения влаги в почвах, рекультивация нарушенных почв, проведение регионального агроэкологического мониторинга почв с современными природоохранными требованиями — пути рационального использования и охраны почв.

Теоретическая значимость. Создана научная основа рационального использования и охраны почв зональных и интразональных природно-сельскохозяйственных ландшафтов Казахстанской и Западносибирской провинций Южного Урала. Фундаментально обоснована методика почвои во-досберегающей технологии орошения черноземов.

Новые данные по изменению почв агроландшафтов под влиянием антропогенного фактора вошли в курсы лекций по почвоведению, читаемых в Институте агроэкологии.

Практическая значимость. Установлены особенности строения, состава и свойств современных почв зональных и интразональных агроландшафтов, измененных под влиянием антропогенных факторов. На данной основе можно создавать новые формы и технологии управления агроэкологи-ческими параметрами в регулируемых условиях и давать им оценку, более дифференцированно использовать почвы, обосновывать режимы нормированного орошения, прогнозировать изменения почв при дальнейшем антропогенезе и потеплении климата. Полученные материалы могут использоваться учреждениями и организациями, проводящими мониторинг окружающей среды, региональный агроэкологический мониторинг почв и работы по обводнительной мелиорации почв.

Для черноземов выщелоченных разработана методика почвои водосбе-регающей технологии и предложен рациональный режим нормированного орошения.

Результаты мониторинга биологического этапа рекультивации почвог-рунтов, образованных при техногенном нарушении черноземов, позволяют корректировать и прогнозировать дальнейшее формирование и использование молодых почв — эмбриоземов на отвалах Коркинского угольного разреза.

Основные результаты выполненных исследований по изучению состояния почв ирригационного агроландшафта лесостепной зоны Челябинской области вошли в «Рекомендации по регулированию водно-физических, физико-химических свойств, солевого режима ирригационных почв и улучшению их экологического состояния», подготовленные Институтом агроэкологии [245]. Материалы переданы ФГУ «Челябмелиоводхоз».

Банк почв можно ыспользовать при проведении регионального агроэко-логического мониторинга почв, почвенно-картографических работах.

Личный вклад соискателя. Соискателем лично проведены полевые и аналитические исследования почв и дана интерпретация результатов исследований современного состояния практически всех почв зональных и интра-зональных типов агроландшафта Южного Урала на примере Челябинской области. Результаты этих исследований реализованы в виде банка почв, представляющего собой материальную модель почв и других компонентов агроландшафтов Южного Урала с фондом в 2500 экспонатов, 180 из которых монолиты почв.

Апробация работы и публикации. Исследования проводились по плану НИР Института агроэкологии — филиала Челябинского агроинженерного университета по направлению «Динамика показателей плодородия черноземов Южного Зауралья» (Регистрационный номер 0120.0 500 293) в период с 2000 по 2007 гг. Как сравнительные данные использованы материалы, ранее полученные автором в 1976;1987 годах в Институте почвоведения и агрохимии СО РАН при изучении аналогичных черноземов Западной Сибири и Северного Казахстана.

Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-практических конференциях Института агроэкологии в (г. Челябинск, 2000;2007), 2-й Российской научно-практической конференции (г. Оренбург, 2005), Всероссийской научно-практической конференции (г. Курск, 2008) — XXXVIII Российской школе по проблемам науки и технологий (г. Миасс, 2008).

Общий список опубликованных работ состоит из 52 наименований, в том числе 14 учебно-методических указаний. По теме работы издана 1 монография, в двух других монографиях рассматриваемым вопросам посвящены отдельные разделыв изданиях, рекомендованных ВАК, опубликовано 7 статей.

Структура работы. Работа изложена на 357 страницах и состоит из введения, 8 глав, выводов, рекомендаций производству, библиографического списка из 355 наименований, 17 приложений, включает 44 рисунка и 87 таблиц.

Искреннюю благодарность за многолетнюю заботу и помощь приношу к. с-х. н. Н. И. Чащиной. Неоценимую помощь оказал автору в свое время учитель и наставник доктор биологических наук, профессор В. П. Панфилов. Автор благодарен сотрудникам Института агроэкологии: профессору Е. И. Шиятому, доктору биологических наук И. В. Синявскому, докторам сельскохозяйственных наук A.A. Грязнову, И. Л. Фрумину за предложения и замечания по улучшению работы, студентам за помощь в сборе полевых материалов.

1 ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР.

Почвы зональных лесостепных и степных агроландшафтов, история их изучения на Южном Урале. Пришло время, ускоренное ухудшающейся экологической обстановкой, для реализации не востребованных до сих пор агрономической наукой и практикой знаний о структуре и функционировании природных и сельскохозяйственных ландшафтов [331].

Почвами зональных лесостепных и степных агроландшафтов являются черноземы. В азиатской части России получили распространение оподзолен-ные, выщелоченные, обыкновенные и южные их подтипы. В настоящее время небольшие пространства этих целинных почв, расположенных в неудобных для распашки местах, относятся к слабоизмененным [90].

Черноземные почвы имеют огромное биосферное, экологическое, экономическое, хозяйственное и научное значение. Поэтому им посвящено большое количество научных работ [7, 13, 14, 18, 45, 46, 49, 52−54, 64, 65, 75, 80, 83,84, 115, 118, 130−132, 140, 150, 154−156, 231,232, 240−242, 293 и др.].

В последние тридцать лет XX столетия изучение черноземов чрезвычайно активизировалось в Сибири [5, 30, 39, 109, 206, 209, 210, 234, 301, 315, 322 и др.].

Изучение черноземной зоны Южного Урала начато в конце XIX и начале XX веков. П. А. Костычев [150] определял содержание гумуса в почвах южной части Челябинского уезда, К. П. Горшенин [65] в 1915 году провел обследование значительной территории этого уезда.

Первой обобщающей работой о почвах Южного Урала была монография Г. А. Маландина [169]. Первая почвенная карта на основании исследований почв рядом экспедиций была составлена П. В. Лысениным и М. С. Шергиным в 1938 году.

В XX столетии в сельскохозяйственной науке, в том числе почвенной агрофизике Южного Урала, случались трагические события [197], задержавшие развитие почвенной школы в наиболее промышленной части России.

В послевоенное время в связи с настоятельной необходимостью получения максимального количества сельскохозяйственной продукции возобновились работы по почвоведению, прежде всего агрохимические и исследования по мелиорации солонцов и солончаковых почв [190−192, 141−143 и др.]. Сведения по агромелиоративной характеристике почв имеются в работе H.A. Качинского, А. Ф. Вадюниной, З. А. Корчагина [120].

Созданный в конце 50-х годов Западно-Сибирский филиал, а затем Институт почвоведения и агрохимии в 1968 г. в Новосибирске, много работал в Западной Сибири [197]. На Южном Урале он еще не успел развернуть исследования и почвы этого региона, особенно в отношении агрофизической характеристики, оставались недостаточно изученными.

В середине 50-х годов XX столетия в Челябинской области при освоении целинных и залежных земель в пашню были вовлечены значительные площади солонцеватых почв и солонцов. На солонцы в структуре пашни стало приходиться в северной, южной лесостепи и степи соответственно 3,89, 8,3 и 9,63% [133, 134], и проблема улучшения их агропроизводственных свойств не снята до сегодняшнего времени. В связи с этим особо следует отметить работы по мониторингу земель, впервые начатые лабораторией агрохимии Челябинского НИИСХ под руководством Ю. Д. Кушниренко [162, 163, 185−187, 199, 244].

Сведения об изменении агропроизводственных, агрохимических и некоторых водно-физических свойств пахотных почв Челябинской области (черноземов и вовлеченных в пашню солонцов) содержат труды Ю. Д. Кушниренко [160−162], А. П. Козаченко [133, 134], И. В. Синявского [288]. В этих фундаментальных работах подведены общие итоги мониторинга почвенных процессов, описаны состояние земель сельскохозяйственного назначения, динамика элементов плодородия, степень и характер загрязнения почв. А. П. Козаченко [134] показал, что вблизи крупных промышленных центров Челябинской области (Челябинск, Магнитогорск, Карабаш, Верхний Уфалей, Сатка, Коркино и др.) наблюдается наибольшее загрязнение почв токсическими веществами из-за выброса их в атмосферу. Тяжелые металлы (90%) поступают от предприятий черной и цветной металлургии и при сжигании в котельных углей, свинец — от сжигания горючего автотранспортом. От предприятий черной металлургии происходит загрязнение атмосферы и почвы марганцем.

Природная геохимия Южного Урала также оказывает влияние на состояние почв. Для свинцово-цинковых и марганцевых месторождений присуще повышенное содержание в почве цинка, мышьяка, серебра, меди, олова, вольфрама, молибдена, свинца, марганца [134].

В последующие годы почвенные исследования на Южном Урале были продолжены [35, 36, 175, 135 и др.]. В. А. Синявским и И. В. Синявским [287] особо подчеркнуто влияние почвообразующей породы на свойства сформировавшихся на ней выщелоченных и обыкновенных черноземов.

Важной проблемой для Южного Урала является разработка научно-теоретических основ орошения почв. Эти исследования трудно переоценить, так как население мегаполисов, небольших городов и сел нуждается в овощах, картофеле, животноводческой продукции. В лесостепной и степной зонах Челябинской области без орошения эту продукцию получить трудно. Вопросы орошения и солевой режим ирригационных почв отражены в работах А. Н. Федорова [308], Г. А. Панова [204, 243] и других. К сожалению, для черноземов Южного Урала к настоящему времени остаются научно и экспериментально неразработанными способы их орошения. А нерегулируемое орошение без соблюдения элементов почвоохранной технологии сопряжено с неблагоприятными мелиоративными последствиями.

Эти вопросы мы изучали применительно к черноземам разного гранулометрического состава [264−267, 271, 272, 275, 277, 278, 215, 216]. В этих работах теоретически и экспериментально обоснованы такие важные элементы почвоохранной технологии орошения черноземов, как рациональная мощность увлажняемого при поливах почвенного слоя, оптимальный диапазон его увлажнения и допустимый предполивной порог снижения влажности почвы.

В последние годы почвенно-физические исследования и работа по охране почв в Челябинской области, в частности в Институте агроэкологии, заметно усилились и развились [174, 270−283]. Изучены агрофизические свойства почв агроландшафтов, процессы передвижения влаги в профиле почв с целью обоснования рациональных путей их использования. Значение этих исследований возрастает в связи с усиливающейся антропогенной деятельностью и изменением климата — важнейшего фактора почвообразования в сторону потепления, наметившейся тенденции исключения ранне-летних и ранне-осенних заморозков. Следует признать, что работ, посвященных генетическим и производственным свойствам черноземов Челябинской области, все-таки до настоящего времени немного.

Черноземы формировались в течение длительного временисемь тысяч лет, в позднем плейстоцене [109]. Природная растительность черноземных степей, определяющая развитие дернового процесса, характеризуется значительным ежегодным отчуждением в опад органической массы (100−200 ц/га). При этом около 40−60% опада составляют корни растений. В опаде лугово-степных сообществ самое высокое содержание азота — 1,41,0% [16]. При дерновом процессе закрепление гумуса в почвенном профиле зависит от содержания кальция в поглощенном комплексе и от наличия фракций мелкой пыли и ила [96, 315].

Проявление в профиле черноземов восточнее Урала языковатости объясняется растрескиванием почвы при сильном промерзании зимой и сильном иссушении в летнее время [63, 64].

Бедность почвообразующих пород фосфором является причиной низкого содержания фосфора в черноземах [288]. Длительная биологическая аккумуляция фосфора в гумусово-аккумулятивных горизонтах пахотных и целинных почв увеличивает его содержание в 4−6 раз больше по сравнению с материнской породой [151]. От 79 до 83% фосфора растения поглощают из пахотного или биологически активного слоя [152].

На территории Южного Урала черноземы имеют большое сельскохозяйственное значение. Черноземы оподзоленные Челябинской области расположены в поясе лесостепных предгорий, занимая в целинных и распаханных видах агроландшафта всего 44,8 тыс. га или 0,6% общей площади, в пашне около 5 тыс. га или 5,95% [134]. В отношении агрофизических свойств они остаются до сих пор слабо изученными.

Выщелоченные черноземы имеют ведущую экологическую функцию на территории Южного Урала. Их площадь в Челябинской области велика и составляет 1861,5 тыс. га, в том числе в лесостепи 1799,4 тыс. га. В настоящее время они почти все распаханы, занимая в северной, южной лесостепи и степи соответственно 55, 49 и 23% площади пашни. По агропроизводствен-ным характеристикам они отличаются от черноземов европейской части России меньшей мощностью гумусового горизонта, а по общему запасу гумуса (490 т/га на целине и 431 т/га в пашне) мало им уступают. В европейской части гумуса в метровом слое содержится 500−600 т/га [13]. По данным агрохимических исследований [134, 288] содержание валовых форм азота, фосфора и калия в целинных черноземах выщелоченных высокое, в пашне оно несколько снижается. Легкогидролизуемая фракция азота составляет всего 3,1−4,3% от его валового запаса [134].

Черноземы обыкновенные занимают в Челябинской области 1376,2 тыс. га. В южной лесостепной зоне на них приходится 36,0% пахотных земель, а в степной зоне — 52,1% пашни. Встречаются они локально и в северной лесостепи. Черноземы южные занимают всего 7,9% пахотных земель. Все эти черноземы интенсивно используются [134].

Агрогенное изменение почв зональных агроландшафтов. Использование почв прерывает в природных ландшафтах течение естественных почвообразовательных процессов и изменяет их состояние. На долю антропогенно-измененных приходится около 50% всех почв [50]. Большие площади почв с трансформированными признаками и свойствами приходятся на земли сельскохозяйственного назначения. К нарушенным относят агроландшафты, территории которых подвержены эрозии, дефляции, заовраженности и прочим процессам [229, 312].

В самых ценных почвах — черноземах в результате распашки снизилось содержание гумуса, ухудшилась структура. На динамику органического вещества пахотных почв стала влиять система ее основной обработки. По данным мониторинга, проведенного в ЧНИИСХ, максимальные потери гумуса характерны в условиях степной зоны на черноземах южных — 1,07 т/га (2%) ежегодно, что объясняется активизацией минерализации гумуса усилением ветровой эрозии при распашке [134].

Изучению процессов разрушения почв под влиянием эрозии в Зауралье, Западной Сибири и Казахстане исследователи всегда уделяли большое внимание [6,, 21, 36, 65, 99, 100, 102, 125, 145, 160, 203, 209, 246, 301, 302, 310, 326 и др.].

Исследования, проведенные Новосельской опытно-овражной станцией, показали, что общий размер смыва почвы при снеготаянии увеличивается пропорционально длине склона в степени 1,5 [99].

На склонах крутизной 2−6° эрозия заметно усиливается, а при крутизне от 6° до 10° она проявляется в полной мере [101, 102].

Общая площадь эродированных земель в Челябинской области составляет 1,3 млн га. В лесостепной зоне почвы подвержены водной эрозии, так как около 1,14 млн га земель имеют уклон 1−3° и 500 тыс. га — свыше 3°. Имеет место здесь и ветровая эрозия, хотя менее выраженная, чем водная. [134].

Водная эрозия проявляется в Уйском, Чебаркульском, Верхнеуральском районах. Однако корреляция между количеством осадков и интенсивностью эрозии незначительна, поскольку одно и то же количество осадков может вызвать разную степень проявления эрозии [68].

Ощутимый вред эрозия наносит в степной зоне землям Агаповского, Брединского, Кизильского, Чесменского, Троицкого и других районов, где только ветровой эрозии подвержено 38% сельскохозяйственных угодий. Противоэрозионная почвозащитная технология возделывания сельскохозяйственных культур во многих хозяйствах не применяется совсем [137]. Эффективным признаком устойчивости почв к ветровой эрозии является наличие комковатости в слое 0−5 см. Агрегаты диаметром более 2 мм являются эффективным защитным противоэрозионным слоем. Ветроустойчивость черноземов зависит от наличия в почве 22−40% агрегатов размером более 2 мм, причем 10−25% из них — должны быть больше 10 мм. Менее эффективна роль агрегатов размером 1−2 мм, а агрегаты размером менее 0,5 мм совсем неэффективны и легко переносятся ветром [310].

Для сохранения плодородия почв А. Н. Каштанов и В. Е. Явтушенко [124] обосновали научную концепцию развития агрохимии ландшафтного земледелия, учитывающую особенности эродированных почв.

Техногенное нарушение почв агроландшафтов. Техногенное нарушение почв происходит при выполнении открытых и подземных горных работ, складировании промышленных, строительных и коммунально-бытовых отходов, строительстве различных сооружений, проведении геологоразведочных, изыскательских и других работ. При этом изменяются гидрологический режим, образуется техногенный рельеф, происходят качественные изменения всего ландшафта, ухудшающие экологическую обстановку в целом [239].

Деградационные изменения почв агроландшафтов при этом несравнимы с трансформацией почв агроландшафтов при сельскохозяйственном использовании. Общая площадь уничтоженных почв превышает суммарную площадь современных пахотных земель — 14−15 млн км [76].

Проблема исследования и внесения почв техногенных агроландшафтов в отечественные и зарубежные классификации возникла еще в XX веке и остро стоит сегодня в связи с увеличением их площади [77, 112−114, 128, 139, 325, 237, 292, 298, 299, 352, 353, 342, 343, 346]. Такие почвы называют антропогенными [50], или по зарубежной терминологии антросолями [349]. И. М. Гаджиев, В. М. Курачев [37], М. И. Герасимова, М. Н. Строганова др. [50] предлагают называть искусственные почвоподобные тела с использованием или без использования насыпного плодородного слоя почвы техноземами, а молодые примитивные почвы эмбриоземами.

В Классификации почв России [128] в отделе техногенных поверхностных образований под названием квазиземы выделяется группа почвоподоб-ных тел, близких к техноземам. Техноземы — это искусственные почвоподобные тела, состоящие из одного или нескольких насыпных слоев природного или техногенного грунта с поверхностным плодородным слоем [50]. Техноземы создаются при рекультивации и функционируют как почвы.

Биологическая продуктивность нашей планеты опирается на нормальное функционирование почвенного покрова [130]. Поэтому промышленно-нарушенные почвы естественно-сельскохозяйственных ландшафтов подлежат восстановлению путем создания искусственных почвоподобных тел. Необходимость в рекультивации или восстановлении разрушенных участков почвенного покрова очевидна и весьма актуальна и связана с отрицательным изменением экологических условий обитания растений, животных и человека в местах с разрушенным почвенным покровом.

Особенно важна рекультивация почв в регионах, располагающих ценными почвами. Характерным примером такого региона является Южный Урал. Как отмечено в «Комплексном докладе о состоянии окружающей природной среды Челябинской области в 2003 году» [137], рекультивация техно-генно-нарушенных земель приобретает все большую актуальность.

Одно из самых крупных техногенных нарушений агроландшафта представляет Челябинский буроугольный бассейн, разведанная общая площадь которого составляет более 1300 квадратных километров. Он простирается на 170 км с севера на юг Челябинской области. Основная промышленная угленосность в бассейне обнаружена на протяжении ста километров [313].

Работы по рекультивации земель в Челябинской области выполняются хозспособом. В связи с процедурой банкротства ОАО «Челябинскуголь» и введением внешнего управления эти работы некоторое время не проводились [137].

По мнению Е. У. Джамалбекова, М. Е. Бельгибаева и других [74], наиболее перспективными при рекультивации промышленных отвалов являются суглинистые породы и третичные глины, на которых удовлетворительно растут и развиваются древесно-кустарниковые породы и травянистые культуры.

В.П. Воробьев [34] считает, что верхняя литологическая толща рекультивируемых ландшафтов должна быть неоднородной, слоистой, чтобы дренирующие слои чередовались с водоупорными слоями. Но плодородие почвенного слоя рекультивируемой почвы зависит главным образом от состава вскрышных пород.

Н.Г. Кондратюк, М. С. Жандаев и другие [138] установили, что при биологической рекультивации отвалов «Экибастузуголь» для закрепления откосов отвала целесообразно использовать только древесно-кустарниковые культуры с локальной посадкой или нарезкой микротеррас. Посевы трав на микротеррасах откосов полностью погибают.

По мнению некоторых исследователей [138], микрорельеф при рекультивации снижает приживаемость травянистой растительности.

После рекультивации Г. В. Добровольский и Л. А. Гришина [77] предлагают несколько направлений использования нарушенных земель. Сочетание земель очень глубоких террасированных карьеров и высоких гребневидных, конических, платообразных внешних отвалов, характереное для техногенно-нарушенного агроландшафта, рекомендовано использовать под лесопосадки противоэрозионного, водоохранного, санитарно-защитного направления.

Деградация почв агроландшафтов при урбанизации. Исследования урбанизированных почв проводятся всего около 30 лет, причем больше внимания уделяют городским почвам [50, 108, 260].

Впервые термин «городские почвы» был введен Бокгеймом [334], который определил их как «почвенный материал, содержащий антропогенный слой несельскохозяйственного происхождения толщиной более 50 см, образованный путем перемешивания, заполнения или загрязнения поверхности земли в городских и пригородных территориях».

При дальнейших исследованиях были определены понятия, условия образования, общие черты, строение и свойства урбанизированных почв. Однако еще не совсем разработана генетическая классификация для этих почв. В настоящее время имеется систематика почв и почвоподобных тел городов южно-таежной зоны Европейской части России [298, 299]. От естественнои-сторических почв урбанизированные почвы отличаются горизонтом «урбик» (от слова игЬапш — город). Это поверхностный органоминеральный насыпной, перемешанный горизонт с урбоантропогенными включениями мощностью более 5 см. Он формируется в течение столетий при обустройстве газонов, скверов, парков, площадок. Почвообразующим материалом для урбанизированных почв служит культурный слой, насыпные или перемешанные с естественными почвами грунты.

Используя почву, как место своего обитания, человек существенно изменяет почвообразование, влияя непосредственно на свойства почвы, ее режимы и плодородие. В ландшафте населенных пунктов антропогенные составляющие выражены гораздо сильнее, чем в агроландшафтах. Особенно сильно это проявляется в реконструированных почвах — урбаноземах [29].

Важная характеристика урбаноземов — форма щебня. Многие почвы населенных пунктов содержат слои твердых обломков заостренной формы, поэтому в таких субстратах наблюдается слабое проникновение корней и редкая встречаемость дождевых червей [50]. Высокая плотность сложения почвы вызывается высокой рекреационной нагрузкой (вытаптывание напочвенного покрова и уплотнение поверхности почвы). В этом случае затруднено проникновение корней вглубь профиля почвы. Урбанофитоценозы, выполняя в населенных пунктах санитарно-гигиенические и эстетические функции, находятся в жестких условиях существования. Граница переуплотнения горизонта и остановка развития корней начинается с величины.

3 3.

1,4 г/см для суглинистых почв и 1,5 г/см для песчаных. На участках с усиу ленным воздействием оно доходит до 1,7 г/см. В уплотненных почвах масса корней урбанофитоценозов в 2,5−3,0 раза меньше, чем в неуплотненных почвах [50].

На примере всемирно известного археологического памятника «Арка-им» на юге Челябинской области хорошо видно, что человек всегда использовал почвы по своим понятиям, оставляя на тысячелетия деградированные урбанизацией почвы. Познание эволюции и современного состояния этой территории, названной «Страной городов», имеет научные и практические задачи, решением которых занимаются многие научные центры России и других стран. К настоящему времени накоплен большой материал по хозяйственному укладу, социальной деятельности народов, населявших Аркаим-скую долину, изменению климата, эволюции почв, растительного и животного мира, отраженный в многочисленных трудах [22, 66, 70−73, 88, 91−93, 104 107, 111, 172, 182, 219−225, 344 и др.].

На территории Аркаимской долины обнаружено более 70 археологических памятников различных эпох: от стоянок среднего и нового каменных веков мезолита и неолита до курганов и ритуальных оград 12−14 вв. н.э. Особый интерес у исследователей представляет уникальный культурный комплекс — укрепленное поселение Аркаим, изучение которого позволило Г. Б. Здановичу [105] Аркаимскую долину на рубеже III-II тысячелетий до н.э. назвать «миром гармонии Человека и Природы». Однако дальнейшие исследования показали, что высокая скорость осадконакопления (0,24 мм в год) в Аркаимской долине в период 4500−3000 лет свидетельствует все-таки о высокой нагрузке древнего общества на ландшафт [111].

Деградация пастбищных экосистем и лесных ландшафтов в период поздней бронзы (вторая половина II тыс. до н.э.) связывается с оттоком носителей синташтинско-аркаимской археологической культуры и с частичной ассимиляцией местными племенами оставленных обрывочных знаний. В период поздней бронзы археологами отмечается «избыточность» погребальной обрядности в виде многочисленных украшений, обильных жертвоприношений, неоправданно больших трудозатрат на строительство погребальных комплексов. Деградация почвенно-растительного покрова, ухудшение экологической обстановки при этом определила формирование кочевого образа жизни ранее обитавших здесь народов.

С антропогенным воздействием на ландшафты В. А. Николаев [189] связывает также заметное обезлесивание степных территорий, произошедшее за последнее тысячелетие.

В «Классификации почв России» [128] антропогенно-измененные почвы рассматриваются как определенный этап естественно-антропогенной эволюции почв. Поэтому J1.H. Плеханова, В. А. Демкин и др. [225] предлагают называть почвы, подвергнутые древнему антропогенезу, палеоурбаноземами.

Они считают, что современные комплексы различных почв низких надпойменных террас малых рек Аркаима сформировались в результате действия как природных факторов, так и антропогенного влияния в древности и в настоящее время. Аридизация климата в I тыс. до н.э. способствовала усилению этого процесса, но наиболее резко он проявился в последние десятилетия.

Урбанизированные почвы агроландшатов, особенно в сельских населенных пунктах, исследованы еще не достаточно.

Почвы интразональных солонцово-солончаковых агроландшафтов и их влияние на производительность почв зональных агроландшафтов.

Засоленные почвы, своеобразные в хозяйственном и экологическом отношении, всегда вызывали повышенный интерес к их изучению. Теоретические основы генезиса, использования и мелиорации засоленных почв изложены в трудах К. К. Гедройца [40−42], И.Н. Антипова-Каратаева, [911], А. Ф. Большакова [26], A.M. Можейко [178, 179], К. П. Пака [200, 201]- И. Ф. Горбунова [58], В. Н. Михайличенко [176], В. И. Кирюшина и H.H. Дубачинской [126, 87] и многих других исследователей.

Засоленные почвы Южного Урала изучались такими учеными, как Г. А. Маландин [169], К. П. Горшенин [65], А. И. Оборин и В. И. Кожин [191], В. А. Синявский [184, 185], Ю. Д. Кушниренко [160], А. П. Козаченко [134, 135] и другими. Однако нерешенных научных и производственных вопросов, связанных с недостаточным познанием этих почв остается немало. Современный подход к оценке земельных ресурсов в рыночных отношениях обязывает особенно тщательно учитывать в агроландшафтах эти почвы.

Засоленные почвы солонцово-солончаковых агроландшафтов локально распространены в Челябинской области в восточной части лесостепной зоны, на пониженной равнине, имеющей 211 м над уровнем моря, в Еткульском, Увельском, Красноармейском, Сосновском, Кунашакском, Аргаяшском, Че-баркульском районах. В степной зоне, чаще солонцы, занимают большие пространства в юго-восточной пониженной части области: в Брединском, Карталинском, Варненском, Октябрьском, Чесменском, Нагайбакском, Ага-повском районах [134]. Солончаки в составе почвенного покрова Челябинской области занимают 1−2%. В южной степной зоне они находятся как в комплексе и сочетаниях с другими почвами, так и в виде небольших сплошных массивов среди зональных почв [137]. Солонцы занимают 535,2 тыс. га, или 6,1% общей площади. Встречаются они как в виде однородных контуров, так и в комплексе с черноземами выщелоченными, обыкновенными, южными, лугово-черноземными почвами. В процессе развития сельского хозяйства, особенно при освоении целинных и залежных земель в середине 20 столетия, большие площади солонцов и солонцеватых почв были распаханы. В настоящее время они занимают в структуре посевных площадей северной лесостепи — 3,89%, в южной лесостепи — 8,3%, в степной зоне — 9,63%.

На солонцы и засоленные почвы приходится около 700 тыс. га лугов и пастбищ области [134]. Основной причиной отрицательных агропроизводст-венных свойств всех солонцов является наличие обменного натрия в почвенном поглощающем комплексе горизонтов В1 и В2, количество которого превышает 20% от емкости катионного обмена [11, 42, 200]. Эти почвенные горизонты отличаются высокой плотностью сложения, низкой фильтрационной способностью и повышенной вязкостью. Влага от таяния зимних осадков и дождей в период вегетации растений накапливается в верхнем слое, переувлажняя почву и снижая ее воздухосодержание при понижении температуры, или быстро испаряется при высокой температуре. Чрезмерная плотность солонцового горизонта затрудняет нормальное развитие корневой системы, ухудшает режим минерального питания растений, что неблагоприятно сказывается на урожайности сельскохозяйственных культур. Заметную роль в генезисе солонцов могут играть делювиальные процессы миграции солей, в частности солей натрия, с повышенных элементов рельефа в понижения [19].

Большинство исследователей [61, 17−19, 206 и др.] связывают оглине-ние солонцовых горизонтов с иллювиальным процессом.

Развитие солонцов осложняет структуру почвенного покрова и негативно влияет на урожайность культур.

Характерная особенность солончаков — низкая водопроницаемость, что является следствием их сильной засоленности, диспергации и пептизации почвенной массы. Н. И. Базилевич [19] считает, что распределение и состав солей в засоленных почвах подчиняется широтной зональности природных факторов. Почва не засолена, если плотный остаток составляет менее 0,25% массы почвы, у среднезасоленной — 0,4−0,7%, у сильнозасоленной — 0,71,0%. В почвах Зауралья В. А. Синявский [285] различает четыре типа засоления: гидрокарбонатно-натриевый, сульфатно-натриевый, хлоридно-магниевый, хлоридно-кальциевый, встречаются и другие сочетания засоления.

Солончакам свойственны высокие значения максимальной гигроскопичности — до 15% от массы почвы, в два раза превышающие количество связанной влаги в зональных черноземных почвах, а также высокая влажность завядания [5]. Большая часть влаги в солончаках относится к прочно-связанной и недоступной растениям, потребление которой растениями затруднено из-за пониженной аэрации профиля солончака и наличия в нем солей, достигающих токсичных для большинства растений значений и определяющих высокое осмотическое давление в почве.

Состояние почв особо охраняемых территорий. Среди почв лесостепных и степных зональных агроландшафтов лентами простираются реликтовые боры. Наиболее полно изучены ленточные и островные боры в Северном Казахстане и Западной Сибири А. Г. Гаелем, A.B. Хабаровым, Ф. Ю. Гельцером, А. Н. Маланьиным, Н. Г. Сметаной [38, 86, 171] и другими. Эти исследователи отмечают в почвах боров переплетение современных экологических признаков и свойств с реликтовыми, отражающими происхождение почвы, ее историю. Основу растительного покрова этих боровых почв составляет сосна [226, 170, 171].

Низкое плодородие песчаных почв обусловливает разреженность ксе-рофитных и псаммофитных растительных группировок, небольшую массу опада и слабый биологический круговорот веществ [183].

При оценке агропроизводственных свойств песчаных почв необходимо учитывать то, что их структурному составу способствует оптимальная, гексагональная упаковка почвенных частиц [253]. Изучение дифференциальной пористости легких почв показало преобладание в составе пористости этих почв крупных пор диаметром более 3 мк и 60 мк, что создает благоприятные условия для нисходящего передвижения гравитационной влаги, аэрации и диффузного движения водяных паров [207]. Но следует учитывать, что для песчаных почв характерна очень слабая водоудерживающая способность, высокие водоотдача, водопроницаемость и неспособность аккумулировать необходимый для культурных растений запас влаги. В этих почвах происходит быстрое поглощение талых, дождевых вод и передвижение их в глубокие горизонты почвы.

На территории Южного Урала насчитывается около 24 реликтовых боров, сформированных на песчаных породах и продуктах разрушения плотных магматических пород [181].

Неблагоприятные для культурных растений свойства почв этих боров обусловлены специфическими процессами почвообразования. Подзолообразование на песках подробно изучено A.A. Роде [247, 248, 252, 257], В. В Пономаревой [230], JI.E. Родиным, Н. И. Базилевич [258]. Эти почвы, обладая низким естественным плодородием, имеют большое водоохранное, эстетическое и сельскохозяйственное значение и подлежат охране.

Особенности формирования почв пойменных агроландшафтов и их современное состояние. В России происхождение речных долин первыми исследовали В. В. Докучаев [81], К. Д. Глинка [54], Б. Б. Полынов [228].

Речные поймы — особый геохимический ландшафт с молодыми, постоянно изменяющимися участками суши и связанный с природными условиями бассейна реки. Пойма представляет собой участок долины реки, примыкающий к руслу реки и заливаемый периодически полыми водами. Она находится под постоянным воздействием образующего ее водного потока вышележащих речных террас, поэтому любые изменения, вызванные антропогенным фактором на территории водосборного бассейна, отражаются на пойме. Поэтому сегодня все процессы в поймах могут быстро менять свое направление.

Индикаторами этих процессов являются дождевые черви или люмбри-циды (ЬшпЬпсаёае) [15]. Новейшие исследования с помощью компьютерной томографии показали, что дождевые черви не всегда прокладывают трубчатую систему от пахотного слоя до почвообразующих пород. Своими экскрементами они засоряют отрезки трубочек, и вода по ним не стекает, а накапливается и инфильтруется в порах почвы. Тем самым удлиняется путь до грунтовых вод и улучшается фильтрационное действие почвы [103].

Почвам центральной поймы свойствен двухсторонний тип водного питания: за счет атмосферных осадков и почвенно-грунтовых вод [76].

В условиях нейтральной реакции среды почв центральной поймы и благоприятного водно-воздушного режима аммиак, образовавшийся в процессе разложения органического вещества, быстро вовлекается в последующую стадию минерализации почвенного азота и перехватывается нитрифицирующими бактериями. Аналогичный процесс протекает и в почвах притеррасной части поймы [146].

Миграция фосфора в поймах рек совершается преимущественно в составе взвешенных наносов и в очень малой степени в растворенном состоянии. Влияние на подвижность почвенных фосфатов оказывают смена окислительно-восстановительных условий в периоды затопления и последующего спада паводковых вод и близкое стояние почвенно-грунтовых вод [329].

Благоприятные условия водно-воздушного режима позволяют получить на пойменных почвах высокие и устойчивые урожаи овощных и кормовых культур [146].

Состояние пойменных почв Челябинской области, находящихся под влиянием высокой агрогенной и техногенной нагрузки, особенно вблизи крупных промышленных центров, изучено недостаточно. Например, по сведениям В. К. Егорова [89], наблюдения за режимом р. Миасс в Красноармейском районе не проводятся более 35 лет. Река зимой замерзает редко и вода для питья непригодна.

Особенности почв горных агроландшафтов. Основы учения о почвах горных систем заложил В. В. Докучаев [81]. Позже многие ученые [45, 47, 49, 76] отмечали, что, несмотря на большое разнообразие биоклиматических условий, в горных странах сформировались те же экологические группы почв, что и на равнинах.

Структура вертикальной зональности почв определяется положением горной страны в системе горизонтальных почвенных зон, высотой горной страны, положением горной страны по отношению к движению воздушных масс, наличием температурных инверсий [48, 53, 54]. Особенности структуры почвенного покрова горной страны зависят и от местных, провинциальных биоклиматических особенностей [233].

Особенности горных и прилегающих к ним равнинных почв во многом определяются почвообразующими породами, которыми являются продукты выветривания плотных горных пород, чаще всего переотложенные [8].

Выветриванию горных пород способствуют их разнозернистость, качество природного цемента, например, песчаник с глинистым цементом разрушается значительно легче и быстрее, чем песчаник с кремнеземистым цементом [330]. Процессы выветривания рыхлят и преобразуют коренные породы, подготавливая материал для последующего почвообразовательного процесса [148]. Осадочные горные породы в горах распространены мало.

Основу высокогорной растительности составляют разнообразные компоненты травянистого покрова горных лесов. Влиять на растения и почвы могут различные сочетания форм рельефа и их конфигурация вследствие изменения климатических условий места.

По мнению И. П. Герасимова [49], суровый климат высокогорий с контрастными сезонами года: низкими температурами зимой и в ночное время летом, с большой солнечной радиацией — сформировался на определенном этапе развития горных систем, в ходе крупных тектонических поднятий в течение позднеальпийских орогенических фаз.

Горный ландшафт на Южном Урале занимает значительную территорию. На северо-западе в пределах горной страны Южного Урала расположена 1Л часть Челябинской области, составляющая 1946,1 тыс. га [134]. Изученность этих почв слабая.

Пути рационального использования почв. Одним из путей сохранения плодородия почв является разработка и внедрение водои почвозащитных технологий, основанных на поведении влаги в почвах.

Вода является одним из незаменимых факторов, определяющих жизнедеятельность микроорганизмов, растений. Для создания одного грамма сухого вещества растения расходуют от 200 до 1000 граммов воды. С водой в растения поступают питательные вещества, почвенная влага оказывает прямое и косвенное влияние на развитие растений [69].

В почве количество влаги очень динамичноопределяется оно как поступлением с осадками, так и свойствами удержания, сохранения и передвижения самой почвой. Влага в почве постоянно движется — расходуется растениями, испаряется в воздух, передвигается в глубокие горизонты. Аккумуляция ее в почве наблюдается в результате конденсации паров воды, восходящих токов из глубоких горизонтов и других статей водного баланса.

Наличие влаги в почве является фактором, лимитирующим урожайность культурных сельскохозяйственных растений. Запасы воды в почве, учитываемые на протяжении всего вегетационного периода, позволяют судить о влагообеспеченности сельскохозяйственных растений, устанавливать сроки посева культур, тесным образом связывая их с совмещением наибольшей потребности культуры во влаге с календарными сроками выпадения осадков определенной территории.

Недостаток, как и избыток влаги в почве, ограничивает продуктивность растений. В этом случае неэффективными становятся агроприемы, направленные на получение урожаев сельскохозяйственных культур. Влагообеспе-ченность растений определяется не только количеством поступающей воды в почву, но и ее доставкой растению по мере потребления из нижних горизонтов. Поэтому в одинаковых климатических условиях, на полях, одинаково обработанных и имеющих ровную поверхность, содержание влаги в почве может быть различно. При равной влажности почвы могут содержать разное количество доступной воды, что зависит от многих показателей [253, 254].

Развивая корневую систему в поисках скоплений влаги, культурные растения затрачивают значительную энергию не в пользу урожая [168], особенно в периоды наибольшей потребности во влаге [147]. Влагопотребление, межфазные периоды определяются и тепловым режимом почвы [304]. Например, чем выше температура воздуха, тем короче период кущения [158].

Ученые всегда уделяли большое внимание изучению водных свойств почв, поведения почвенной влаги и ее доступности для растений. Подробно освещены механизм взаимодействия влаги с почвенными частицами, закономерности удержания и передвижения влаги в почвах различного гранулометрического состава [24, 31, 85, 86, 115, 166, 249−251, 253−256, 335−337, 339, 341,347,350,355].

Этому вопросу уделялось и уделяется много внимания почвоведами Западной Сибири [205, 207, 208, 215, 216, 217, 291].

На сложность этих процессов указывал A.A. Роде [253], говоря, что микроскопические количества влаги движутся в почве по очень извилистым путям вглубь n в стороны от основного пути вслед за строением почвенной пористости и характером поверхности частиц почвы.

Как показал Horton, Hawkins [340], нисходящее движение гравитационной влаги осуществляется путем вытеснения воды из капиллярных пор, прежде заполненных водой.

Большинство исследователей считают, что влага наименьшей влагоем-кости (HB) несколько не равновесна (квазиравновесна), так как в почвенном профиле всегда присутствуют градиенты влажности, температуры, сорбци-онных и других свойств. Однако в почвах тяжелого гранулометрического состава возможно установление равновесной влажности на длительное время [253, 254].

По предложению A.A. Роде истинная наименьшая влагоемкость (ИНВ) — это равновесное состояние влажности почвы, когда влага удерживается в почве длительное время без стекания вниз под влиянием гравитационных сил. Это состояние характеризует водоудерживающую способность почв. Незначительные колебания в сторону уменьшения или увеличения запасов влаги против средней величины обусловлены наличием в почвенно-грунтовой толще градиентов влажности и температур, способствующих передвижению влаги в парообразной форме и, возможно, очень медленному термокапиллярному ее движению [253−254].

Особенности поведения влаги при испарении рассмотрены в трудах многих почвоведов-гидрологов. В песчаных почвах эти вопросы исследовали А. Ф. Лебедев [166], Н. С. Орешкина [196], A.A. Роде [249, 253], которые установили, что процесс испарения в этих почвах происходит без фронтального движения почвенной влаги к поверхности испарения, путем послойного высыхания почвы.

В суглинистых почвах, напротив, при достаточно высоком их увлажнении происходит интенсивное восходящее передвижение капиллярноподвешенной влаги при испарении из всей промоченной толщи [1, 24, 25, 249, 253,318].

Изучено испарение почвенной влаги под влиянием высушивания ветром и солнцем [338], при различном испарении исследовано распределение влаги и хлора в почве [354].

Как показали исследования сибирских почвоведов, процесс движения влаги к испаряющей поверхности в профиле различных почв протекает своеобразно в зависимости от генетических свойств почв и характера их хозяйственного использования [207, 209, 214, 264, 266]. В супесчаных почвах Центральной Кулунды восходящее передвижение капиллярно-подвешенной влаги выражено слабо, проявляется через непродолжительное время после про-мачивания почвы и осуществляется на коротком расстоянии. Процесс физического испарения в супесчаных каштановых почвах не вызывает, в отличие от почв суглинистого гранулометрического состава, фронтального восходящего движения влаги по всей длине промоченной толщи. При этом потери влаги из почвы происходят в основном путем ее испарения на месте и передвижении в парообразной форме.

Таким образом, поведение влаги в профиле почвы определяет важнейшие показатели почвенного плодородия: запасы воды, необходимые для биологических, химических и физико-химических процессов, передвижение веществ, различные режимы, поэтому может использоваться при разработке современных технологий орошаемого и богарного земледелия.

Новая стратегия развития сельского хозяйства, в частности земледелия и растениеводства, должна быть экономически обоснованной, экологически безопасной и социально приемлемой в краткосрочной и долговременной перспективе. При этом почвенный фактор в современной концепции интенсификации растениеводства является недостаточно обоснованным с позиций экологической безопасности. Применяемые в земледелии системы базируются на почвах слабоизмененных arpo ландшафтов. Сегодня под влиянием антропогенного фактора почвы подвергаются агрогенной эволюции и часто деградируют, создавая новые агроландшафты. Созданные фитоценозами зональных ландшафтов переходные горизонты почв, слабо используемые корневой системой культурных растений в агроценозах, в процессе агрогенной эволюции тоже деградируют в соответствии с изменением факторов формирования почв. Поэтому одним из важнейших путей рационального использования почв является возобновление их утраченных ресурсов. Для сохранения и повышения устойчивости зональных агроландшафтов нужна адаптивно-ландшафтная система земледелия, направленная на активизацию подпахотных горизонтов путем создания новых экологически обоснованных севооборотов на базе корнеоборота [36, 165].

Эволюционно генезис почв и «бесплатные» элементы питания находятся в тесном взаимодействии с горными материнскими породами, растениями и другими формами живого [131]. В то же время многочисленные адаптивные механизмы и структуры агробиогеоценозов не функционируют, что приводит к негативным экологическим последствиям [98]. Устойчивый рост урожайности сельскохозяйственных культур сдерживается экологической неустойчивостью территории [110, 123, 127, 78]. При длительном применении отвальной и безотвальной обработки почвы наблюдается резкая дифференциация пахотного слоя по признакам и свойствам [188, 317, 173].

В агроэкосистемах потребление элементов питания идет обычно не только в одно и то же время, но и из одного и того же слоя почвы [23]. Нижние горизонты с определенными запасами гумуса тоже обедняются, но, наоборот, из-за отсутствия их использования корневыми системами. Значит, восстановление свойств почвы необходимо проводить по всему профилю. Еще Д. Прянишников [241] указывал на необходимость обратного вовлечения в круговорот питательных веществ, которые взяты растениями из почвы.

Биологизация и экологизация интенсификационных процессов в растениеводстве предполагает более полное использование видового и сортового разнообразия культивируемых растений, обеспечивая использование неравномерно распределенных во времени и пространстве почв и антропогенных ресурсов, лимитирующих величину и качество урожая. При этом увеличивается число симбиотических и саморегулируемых механизмов и структур в агробиогеоценозах, усиливается функционирование обратных связей и ускоряется биогеохимический круговорот основных биогенных элементов.

Введение

в севооборот культур с различными типами корневой системы позволит решить проблему экологического использования ресурсов профиля почвы. По степени разложения, определяемой содержанием в растительных остатках легкогидролизуемых органических веществ, установлен следующий убывающий ряд: люцерна — кукуруза — пшеница [51]. Учитывая это, на почвах с маломощным гумусовым горизонтом можно использовать с успехом люцерну, люпин, донник, горох, рапс, сурепицу и др., обладающих мощной стержневой корневой системой. Пшеницу же лучше возделывать на почвах с хорошо развитым гумусовым горизонтом. Но с позиций биологиза-ции растениеводства, чередование этих культур в ряде случаев становится необходимым.

Активнодействующая ризосферная микрофлора — мощный дополнительный фактор, которым растение воздействует на почву. Поэтому при построении севооборотов может иметь значение степень влияния отдельных сельскохозяйственных растений на состав почвенных микроорганизмов и их биологическую активность. Учет этого обстоятельства даст возможность путем подбора и определенного чередования культур в севообороте управлять развитием полезных микроорганизмов в почве на требуемой глубине. Это будет способствовать развитию дернового процесса, результатом которого станет накопление гумуса как в обедненных, так и в нижележащих слоях почвы, способных обеспечивать элементами питания растения с мощной корневой системой. В ризосфере в больших количествах обнаружены бактерии, растворяющие фосфаты кальция и минерализующие органические фосфаты [23]. В почве на некотором удалении от корней их насчитывалось 33 млн., в ризосфере — до 187 млн. особей на 1 га.

Для глубокопроникающей корневой системы важным источником питания является азот, который при минерализации гумуса в паровом поле переходит в двухметровую толщу чернозема в нитратный фонд от 0,3 до 1,2% от общего запаса азота в гумусе [153], а также калий и фосфор материнских пород [57, 119, 288]. Корневые выделения редуцируют сахара, органические кислоты, ионы.

К, Са, РС>4 и физиологически активные вещества [153].

По мнению И. Герасимова [49], почва всегда будет оставаться культурно-природным телом, поэтому одним из экологически и экономически оправданных путей интенсификации растениеводства должен стать эволюци-онно и экологически обоснованный плодосмен на основе корнеоборота. Учитывая при составлении севооборотов физиологические особенности растений, типы их корневых систем (мочковатая, промежуточная, стержневая), глубину их залегания, состав и состояние микрофлоры, процессы взаимодействия органической и минеральной частей почвы, можно управлять процессами почвообразования, создавать параметры плодородия в различных горизонтах почвы или восстанавливать благоприятные свойства почв.

Под корнеоборотом следует понимать целенаправленное вовлечение в растениеводстве надземной и подземной частей растений с разными типами корневых систем для обеспечения наиболее важных процессов, связанных с повышением плодородия почвы. Корнеоборот вписывается в современную концепцию агроладшафтного земледелия, так как при конструировании адаптивных агроэкосистем и агроландшафтов поддержанию механизмов и структур биоценотической саморегуляции уделяется особое внимание.

Использование различных типов корневых систем дает возможность пополнять наиболее используемый верхний почвенный слой элементами питания из нижних горизонтов без внесения удобрений, улучшать и регулиро.

36 вать физические свойства, водный и пищевой режимы нижних горизонтов, повышать эффективное плодородие почвы агроэкологической зоны [165].

Совершенствуя полевые севообороты в агроландшафтах Челябинской области на основе биологизации земледелия, можно повышать уровень плодородия почв и поддерживать высокую культуру земледелия.

Таким образом, для более дифференцированного использования почв, создания новых форм и технологий управления параметрами их физических и водных свойств и оценки, при разработке современных адаптивно-ландшафтных систем земледелия, обосновании режимов нормированного орошения, прогноза изменений почв при дальнейшей антропогенной нагрузке и потеплении климата сегодня необходимо знание измененного состояния почв агроландшафтов и решение проблемы их рационального использования.

ВЫВОДЫ.

1. Почвы Западносибирской и Казахстанской провинций Южного Урала представляют собой компоненты равнинных зональных и интразо-нальных лесостепных и степных агроландшафтов. Особенностями этого региона являются: нечеткая выраженность границ между почвенными подзонами черноземной зоны, выпадение подзоны типичных черноземов, щебни-стость, в почвах малая мощность профиля и его гумусовых горизонтов, слабая выраженность переходного гумусового горизонта АВ или его отсутствие, специфические водные свойства. В результате исследований высокогорного района Урала исследованы горные серые лесные, подзолистые, болотные и луговые почвы, характерные также для Среднего и Северного Урала.

2. Проведены сравнительные исследования строения, состава и свойств почв сельскохозяйственного назначения зональных агроландшафтов по характеру антропогенного вмешательства, уровню изменений и последствий. Выделены почвы слабо, средне измененного и деградированного агро-ландшафта, требующие дифференцированных мер по рациональному использованию.

3. Получены данные о благоприятных для растений физических, водных и воздушных показателей свойств черноземов слабои среднеизме-ненных агроландшафтов целины и пашни, но различных в лесостепной и степной зонах. В обыкновенных и южных черноземах степной зоны при высокой влагоемкости, обеспечивающей в слое 0−50 см продуктивный запас влаги 135−168 мм на целине и 130−143 мм в пашне соответственно, соотношение пористости аэрации и обводнения не является оптимальным. Черноземы южные по совокупности агрофизических и агрохимических свойств уступают другим подтипам, на склонах в фитогенных агроландшафтах они подвержены эрозии.

4. Выявлена региональная особенность современных черноземов равнинных агроландшафтов сохранять в процессе использования в богарных и орошаемых условиях удовлетворительную для растений макроструктуру.

5. Проведены исследования и анализ влияния ненормированного орошения на изменение свойств черноземов и их полугидроморфных аналогов. Установлена генетическая причина деградации черноземов ирригационных агроландшафтов. Вследствие сильной окарбоначенности нижних горизонтов черноземов, особенно обыкновенных и южных подтипов, при наименьшей влагоемкости (НВ) наблюдается излишнее обводнение и снижение воздухосодержания.

6. Установлена возможность черноземов выщелоченных, деградированных при орошении, восстанавливать агрофизические свойства до удовлетворительного состояния естественным путем через 12−15 лет после прекращения ирригационного воздействия.

7. Исходя из исследований комплекса природных факторов в реликтовых борах определено сочетание ослабленных дернового и реликтового подзолистого процессов в их почвах — боровых песках, отличающихся от контактных с ними зональных почв низким естественным плодородием. В научных интересах, водоохранных и почвозащитных целях боры и их почвы нуждаются в консервации.

8. Выявлено загрязнение плодородных аллювиальных почв поймы р. Миасс техногенными выбросами, содержащими подвижные соединения фосфора и калия, в десятки и сотни раз превышающие норму.

9. В основе решения проблемы управления агроэкологическими параметрами черноземов в орошаемом и богарном земледелии находится познание поведения влаги в профиле почв. В черноземах выщелоченных, наиболее используемых в земледелии Южного Урала, нисходящее движение влаги под действием гравитационных сил, градиентов влажности и температур происходит в течение 10 дней, после которых в профиле почв устанавливается состояние влажности, соответствующее истинной наименьшей влагоемкости (ИНВ). Эта влага, практически равна наименьшей влагоемкости (НВ) и составляет в слоях 0−50 и 0−100 см соответственно 165 и 358 мм, что свидетельствует о прочном характере удержания капиллярно-подвешенной влаги в черноземах и высоком диапазоне ее доступности растениям в интервале увлажнения НВ-ВРК. Процесс восходящего движения капиллярно-подвешенной влаги при ее испарении и десукции корнями растений выражен в этих почвах очень интенсивно и охватывает всю промоченную толщу почвы, что указывает на существующую в них отчетливо выраженную связь между отдельными скоплениями воды при увлажнении, соответствующем НВ.

10. Особенности поведения влаги в профиле почвы в условиях орошения позволяют определять: по водоудерживающей способности оптимальную предполивную влажность, степень увлажнения и норму полива конкретной почвыпо способности почвы к восходящему движению влаги устанавливать и регулировать глубину увлажненияна богаре по способности почвы накапливать и передвигать воду в корнеобитаемую зону разрабатывать технологические приемы обработки почвы, корректировать сроки посева культур.

11. По результатам проведенного мониторинга биологического этапа рекультивации техногенно-нарушенных черноземов выщелоченных лесостепного агроландшафта установлено интенсивное биологическое выветривание вскрышных пород отвалов, образование на них эмбриоземов по черноземному типу почвообразования, использование которых в качестве пастбищ до завершения рекультивации не обосновано и снижает ее качество.

12. Получены данные по изменению почв в агроландшафте инфраструктуры современного села, находящегося в зоне влияния промышленного центра (г. Челябинск) и протогорода бронзового века (Аркаим). Черноземы без глубокой перестройки профиля сохраняют свои важнейшие генетические свойства в течение всей агрогенной эволюции Южного Урала (около 300 лет). В строении и свойствах погребенных черноземов (3−4 тыс. лет) показана длительность периода восстановления нарушенных при урбанизации почв.

Проблема взаимодействия почв и общества, обостряющаяся современной высокой техногенной нагрузкой на биосферу, становится проблемой социальной и может быть разрешимой только с широким использованием образовательного и воспитательного процессов.

13. Установленные изменения состояния почв агроландшафтов, подверженных высокой агрогенной и техногенной нагрузкам, позволили создать знаковую (диагностические показатели почв) и материальную (банк почв) модели почв агроландшафтов Южного Урала, которые могут служить основой научных прогнозов, научно-методической базой обеспечения регионального агроэкологического мониторинга, обоснования рациональных приемов использования почв, дают возможность предвидеть развитие экологической обстановки, обеспечивают информационной базой данных картирование почв, подготовку специалистов сельскохозяйственного производства.

14. Материальная модель почв позволяет показать экологические, технологические, эстетические стороны почв, факторы их формирования и эволюцию в природных и сельскохозяйственных ландшафтах и может стать фундаментальной информационной и методической базой для создания объединенного центра регионального агроэкологического мониторинга почв. Научная, диагностическая и другие функции материальной модели почв способствуют их охране.

ПРЕДЛОЖЕНИЯ ПРОИЗВОДСТВУ.

1. Для предотвращения деградации черноземных почв зональных лесостепных и степных агроландшафтов применять современные адаптивно-ландшафтные системы земледелия и строго соблюдать их требования.

2. Для проектирования орошаемых земель в первую очередь отбирать локально однородные, равнинные, хорошо естественно дренированные участки с почвами среднесуглинистого гранулометрического состава.

3. При орошении черноземов применять научно обоснованные режимы увлажнения с контролем мощности увлажняемого слоя, соблюдением оптимального порога предполивного снижения влажности почвы. Рациональная глубина промачивания черноземов Южного Урала при вегетационных поливах составляет 0−40 см, что объясняется природными условиями развития корневой системы растений. Интенсивное восходящее движение влаги позволяет по фазам развития растений использовать дифференцированные по глубине и степени увлажнения поливы, что снизит количество вегетационных поливов. Поливные нормы для тяжелои среднесуглинистых выщелоченных черноземов Южного Урала составляют в режиме увлажнения о.

НВ-ВРК (70% НВ) для слоя 0−50 см 460 м /га. Сроки предпосевного и вегетационных поливов будут зависеть от конкретных погодных условий года. На разобщенных крупных однородных массивах черноземов, естественно удовлетворительно дренированных соблюдение научно обоснованных норм полива пресной оросительной водой с подачей ее по закрытым трубопроводам даже без искусственного дренажа не должно привести к ухудшению агромелиоративных свойств почв.

4. Не вовлекать в земледелие почвы интразональных солонцово-солончаковых агроландшафтов и колков. Вести их охрану.

5. Соблюдать природоохранную зону для боровых песков реликтовых боров и аллювиальных пойменных почв.

6. Рекультивируемые отвалы техногегнно нарушенных почв агроландшафтов не использовать в сельскохозяйственных целях до полного прохождения биологического этапа рекультивации.

7. С целью сохранения стабильного состояния пахотных почв и почв других сельскохозяйственных угодий проводить их региональный агроэколо-гический мониторинг.

8. При возделывании сельскохозяйственных культур на пойменных почвах, прилегающих к крупным промышленным центрам, проводить регулярный контроль их загрязнения.

Заключение

.

Актуальность диссертационной работы «Состояние почв агроландшафтов Южного Урала и пути их рационального использования» обусловлена значимостью проблемы устойчивого развития Южно-Уральского региона и практической разработки путей ее решения. Одним из направлений решения проблемы является исследование взаимодействия поверхностных слоев Земли — почвы с природными процессами и деятельностью человека. Поверхностная часть земной коры составляет зону интенсивного антропогенного воздействия, основным проявлением которого является промышленное освоение, разработка природных ресурсов, в том числе — ископаемых, и сельскохозяйственное землепользование. Как справедливо считает Н. В. Васильев (газета «Известия» за 6.03.07 г.), у России имеются на руках очень сильные козыри в глобальной игре XXI века, значение которых с каждым годом будет только возрастать. Пресная вода и биоресурсы, учитывая перспективу всемирного потепления и прогнозируемую засуху в районах традиционного земледелия, скоро станут на вес золота. С этим выводом трудно не согласиться. Поэтому актуальность работы определяется современным этапом развития сельского хозяйства с новыми почвои водоохранными требованиями с целью наиболее рационально использования земельных ресурсов,.

294 предотвращения нежелательных экологических последствий и правильной оценкой почв, чтобы не допустить их ухудшения и расхищения.

Почвы Южного Урала в пределах Казахстанской и Западносибирской провинций характеризуются богатством потенциально высокоплодородных черноземных почв, представляющих национальное богатство России. Сохранение их устойчивости при использовании в сельском и народном хозяйстве — основная задача настоящего времени, при этом необходимо учитывать, что они несут высокую техногенную нагрузку, подвержены природной и хозяйственной эрозии и не всегда достаточно увлажнены.

Разработанные системные вербальная и материальная модели почв Южного Урала, характеризующие его экологическое состояние и определяющие пути решения проблемы рационального использования почв, обеспечивают информационной базой данных исследования по региональному агроэкологическому мониторингу почв, служат основой научных прогнозов и оценки территории для обоснованного целевого выбора современных адаптивно-ландшафтных систем земледелия, освоения новых площадей под орошение сельскохозяйственных культур, прогноза изменений под влиянием антропогенной нагрузки и усилении аридизации климата.

Эти исследования являются теоретическим и практическим обоснованием рационального природопользования и охраны почв Южно-Уральского региона России.