На правах рукописи

БЕСПАЛОВ ВЛАДИМИР АЛЕКСЕЕВИЧ

ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННОЕ ВАРЬИРОВАНИЕ ОСНОВНЫХ

ПОКАЗАТЕЛЕЙ ПЛОДОРОДИЯ ЧЕРНОЗЕМОВ КАМЕННОЙ СТЕПИ

Специальность 03.02.13 – почвоведение

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Москва 2012

Работа выполнена в отделе агропочвоведения ГНУ Воронежского научноисследовательского института сельского хозяйства имени В.В. Докучаева Россельхозакадемии доктор биологических наук, заведующий отделом агропочвоведения ГНУ Воронежского НИИСХ Россельхозакадемии

Научный руководитель:

Чевердин Юрий Иванович доктор сельскохозяйственных наук, профессор Белгородской государственной сельскохозяйственной академии Уваров Геннадий Иванович

Официальные оппоненты:

кандидат биологических наук, доцент МГУ им. М.В. Ломоносова Моргун Евгений Георгиевич ГНУ Всероссийский научно

Ведущая организация:

исследовательский институт земледелия и защиты почв от эрозии Россельхозакадемии

Защита состоится «15» мая 2012 г. в 15 ч 30 мин в аудитории М-2 факультета почвоведения МГУ на заседании диссертационного совета Д 501.001.57 при МГУ имени М.В. Ломоносова по адресу: 119991, Москва, ГСП-1, Ленинские горы, МГУ, д.

1, стр. 12, факультет почвоведения.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке факультета почвоведения МГУ имени М.В. Ломоносова.

Автореферат разослан «» апреля 2012 г.

Приглашаем Вас принять участие в обсуждении диссертации на заседании диссертационного совета или присылать отзывы на автореферат в 2-х экземплярах, заверенных печатью, по адресу: 119991, Москва, ГСП-1, Ленинские горы, МГУ, д. 1, стр. 12, факультет почвоведения, ученому секретарю диссертационного совета.

Ученый секретарь Алла Сергеевна Никифорова диссертационного совета доктор биологических наук

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Главной особенностью современного развития почв является многостороннее и многогранное антропогенное воздействие на почвообразовательный процесс.

Особенно остро эта проблема стоит в Центрально-Черноземной зоне (ЦЧЗ) с длительным периодом антропогенного воздействия и высокой распаханностью территории. Почвы региона подвержены периодическим стрессовым антропогенным и природным нагрузкам. Не является исключением и Каменная Степь, где почвы подвержены нагрузкам уже более ста лет. С момента начала проведения исследований в Каменной Степи они подвергались воздействию часто повторяющихся засух. В последние десятилетие значительный ущерб почвенному покрову наносится вследствие нерационального ведения хозяйства, нарушения земледельческих технологий, связанных с изменившейся экономической ситуацией в стране и ухудшением экологических условий.

Это приводит к изменению многих физико-химических свойств черноземов.

Отмечается снижение содержания гумуса, насыщенности почвенного поглощающего комплекса (ППК) обменными основаниями, показателей эффективного плодородия почв. Нарушается водный баланс, в связи с трансформацией физических свойств черноземов в худшую сторону. Поэтому необходимо как можно более эффективно способствовать сохранению почвенного плодородия.

В связи с тем, что в последнее время значительно сократилось количество мониторинговых исследований, снизилось их качество и значительно уменьшилось количество получаемой информации, возросла актуальность и необходимость проведения детальных наблюдений за изменением свойств черноземных почв. В первую очередь это необходимо для планирования мероприятий, способствующих повышению и сохранению исходно высокого потенциала почвенного плодородия черноземов, и составления длительных долгосрочных прогнозов.

На решение целого ряда проблем, связанных с разработкой комплексной оценки современного состояния черноземных почв Каменной Степи, испытывающих на себе различную степень и интенсивность антропогенной нагрузки, и была направлена наша работа.

Цель исследований и задачи исследования. Целью работы является изучение пространственно-временной динамики изменения основных агрохимических и агрофизических показателей почвенного плодородия черноземов Каменной Степи при различных антропогенных воздействиях.

В процессе работы решались следующие задачи:

1. Создать сеть среднесрочных и долгосрочных мониторинговых площадок для изучения изменения свойств почв во времени и провести оценку современного состояния почвенного плодородия черноземов.

2. Изучить механизм профильного изменения основных показателей почвенного плодородия и оценить степень варьирования этих показателей в пространстве и во времени.

3. На основе полученного материала построить картосхемы распределения основных показателей плодородия черноземов на изучаемых площадках.

4. Рассчитать некоторые статистические характеристики распределения основных показателей почвенного плодородия черноземов.

5. Определить зависимость основных физических, физико-химических и химических свойств и изменение показателей плодородия черноземов при различной длительности антропогенного воздействия, и их взаимосвязь с урожайностью сельскохозяйственных культур в краткосрочном опыте.

';

Научная новизна работы. Впервые в Каменной Степи установлены особенности современного состояния и формирования агрохимических и физикохимических свойств чернозёмных почв на основе длительно функционирующих мониторинговых площадок. Результаты исследований углубили и расширили существующие представления о временной динамике органического вещества и других показателей плодородия черноземов Каменной Степи при различной длительности антропогенных воздействий с учетом особенностей их пространственного распределения. В результате комплексных исследований на основе системного подхода дана всесторонняя характеристика гумусного, агрохимического и агрофизического состояния чернозёмных почв.

Основные положения, выносимые на защиту 1. Почвенный покров агроландшафтов Каменной Степи представлен сложными сочетаниями, пятнистостями и комплексами обыкновенных, выщелоченных, типичных и перерытых черноземов разной степени мощности и выщелоченности, которые характеризуются значительным внутрипольным варьированием основных морфометрических параметров.

пространственно-временным варьированием и различием профильного распределения некоторых основных показателей почвенного плодородия:

содержания гумуса и его состава, обменных оснований, показателей кислотности.

3. Вовлечение в сельскохозяйственное производство степных (залежных) угодий приводит к заметному изменению количественных и качественных показателей физических, физико-химических и химических свойств черноземных почв.

Практическая значимость работы. Установленные закономерности варьирования свойств почв могут быть использованы при разработке адаптивноландшафтных систем земледелия. Полученные материалы лягут в основу составления базы данных и разработки геоинформационной системы для почв Каменной Степи с перспективой применения точечного земледелия.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы повышения эффективности агропромышленного комплекса» (Курск, 2008), на Всероссийской конференции «Энтузиасты аграрной науки» (Краснодар, 2008), на заседании Территориального координационного совета «Проблемы земледелия ЦЧЗ»

(Каменная Степь, 2009, 2011), на IV Всероссийской конференции с международным участием (Томск, 2010), на Ученом совете ГНУ Воронежского НИИСХ имени В.В.

Докучаева Россельхозакадемии.

Личный вклад соискателя. Работа выполнена в отделе агропочвоведения ГНУ Воронежского НИИСХ имени В.В. Докучаева Россельхозакадемии в 2007-2010 гг.

Программа исследований представлена и поддержана в виде отдельного проекта РФФИ №08-04-01195 а «Постагрогенная регенерация и эволюция почв черноземной зоны». Автору принадлежит постановка целей и задач исследований, проведение полевых и частично аналитических работ, статистическая обработка экспериментальных данных, систематизация, теоретическое обобщение, интерпретация полученных данных, формулировка выводов.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 8 работ, в том числе работы — в рецензируемых изданиях, определенных Высшей аттестационной комиссией РФ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, выводов, списка использованной литературы и приложений. Содержит 171 страницу машинописного текста, включает 19 таблиц, 31 рисунок, 24 таблицы приложения и описание почвенных разрезов. В список использованной литературы внесено источник, в том числе 10 иностранных авторов.

Благодарности. Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю диссертационной работы д. б. н. Чевердину Ю.И., к. б. н. Зборищук Ю.Н. за полезные советы при написании диссертации, всему коллективу отдела агропочвоведения за оказанную помощь в проведении лабораторных исследований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе дан обзор работ последних десятилетий, посвященных исследованиям гумуса (Тюрин, 1937, 1965; Ваксман, 1937; Костычев, 1949; Кононова, 1951, 1953, 1963; Александрова, 1978; Гринченко, 1979; Пономарева, Плотникова, 1980; Ковда, 1981 и др.; Лыков, 1982; Воронин, 1998; Щеглов, 2000; Scheffer, 1957;

Klapp, 1967; Schulze, 1974; Oberlander, 1977) и других показателей почвенного плодородия (Клечковский, 1967; Мишустин, 1972; Воробьев и др., 1972; Забавская, 1974; Юркин, 1975; Гинзбург, 1981; Мязин, 1994; Парахневич, 1996), а также изменению этих показателей при различных антропогенных воздействиях (Адерихин, 1964; Ковда, 1973; Кузнецова, 1979; Егоров, 1981; Чесняк, 1981; Щербаков, Рудай, 1983; Щербаков, 1996; Уваров, 1997; Когут, 1998; Надежкин, 2000; Королев, Муха, 2004; Щеглов и др., 2006). Рассмотрены различия внутрипольного варьирования показателей плодородия с учетом структуры почвенного покрова (Афанасьева, 1966;

Дайнеко, Чижикова, 1967; Фридланд, 1972, 1984; Добровольский, 1993; Васенева и др., 2000; Сорокина, 1993, 2000, 2003; Хитров, 2009).

Во второй главе описаны почвенно-климатические условия ЦентральноЧерноземной зоны и Каменной Степи, а также объекты и методы исследований.

Центрально-Черноземная зона расположена в средней части европейской территории России. Она представлена двумя природными зонами: лесостепной и степной. По характеру рельефа западная часть Центрально-Черноземной зоны, расположенная на Среднерусской возвышенности, резко отличается от восточной, расположенной преимущественно на Окско-Донской равнине.

Климат Центрально-Черноземной зоны характеризуется умеренной континентальностью с довольно продолжительным теплым летом и относительно мягкой зимой. Среднегодовая норма атмосферных осадков колеблется от 550-575 мм на северо-западе до 410-450 мм на юге и юго-востоке.

Заметные климатические различия в пределах зоны определили формирование неоднородного почвенного покрова. На севере-западе лесостепи в Орловской и Курской областях широко распространены серые лесные и частично дерновоподзолистые почвы, которые в направлении юго-востока постепенно переходят в оподзоленные, а затем в выщелоченные и типичные черноземы. В южной лесостепи на юге Воронежской и юго-востоке Белгородской областей преобладают обыкновенные черноземы. Южная граница распространения обыкновенного чернозема примерно совпадает с границей, разделяющей лесостепь от степи. В степной зоне преобладают обыкновенные маломощные и южные черноземы.

Каменная Степь расположена на юго-востоке Воронежской области, на границе двух природных зон: южной лесостепной и северной степи.

Характерной особенностью климата переходной зоны является изменчивость, непостоянство режима осадков. В связи с изменением гидротермических условий в последние десятилетия в Каменной Степи уровень грунтовых вод изменился в Докучаевском колодце с 7,5 метров в конце XIX века до 3,0-3,5 метров в начале XXI века. (Зборищук и др., 2007).

Почвенный покров Каменной Степи по данным почвенных изысканий, проведенных сотрудниками ЦЧО гипрозема и ВГУ в 1983 г., а также по уточненным данным сотрудников ВГУ в 2004 г., представлен сложными комбинациями из луговочерноземных и черноземно-луговых почв разной степени выщелоченности, карбонатности, солонцеватости и солончаковатости, черноземами обыкновенными, типичными, зоогенно-перерытыми в сочетании с осолоделыми и солонцеватозасоленными почвами западин, ложбин и склонов гидрографической сети, а также аллювиально-делювиальными почвами. В условиях плоских поверхностей в слабо выраженных микропонижениях заметно выражены явления выщелачивания, что ведет к формированию нетипичных для степи выщелоченных черноземных почв.

Почвенный покров Каменной Степи к настоящему времени претерпел изменения. Это связано с изменением почв в связи с динамикой почвообразовательных процессов, обусловленных как природными, так и антропогенными факторами (Зборищук и др., 2007).

Метеорологические условия в годы проведения исследований (2007-2010 гг.) Годы исследований отличались разнообразными погодными условиями как по количеству осадков, так и по температурному режиму (рис. 1).

За годы наблюдений наиболее влажными были зимний (январь, февраль) и осенний (сентябрь и ноябрь) периоды 2007 г.; в 2008 г. влажными были январь, март и сентябрь; в 2009 г. наиболее влажными были зимние месяцы. Более засушливыми периодами за годы исследований были летние периоды 2007, 2008 и 2010 гг. В июне, июле 2010 года выпало меньше всего осадков, чем за весь период наблюдений, а также были установлены рекорды температурных максимумов.

Рис. 1 – Количество осадков и среднемесячная температура 2007-2010 гг.

Объектами исследования послужили черноземные почвы Каменной Степи с учетом структуры почвенного покрова. Для оценки пространственного и временного изменения некоторых основных свойств черноземных почв в 2007-2008 гг. были заложены мониторинговые участки площадью в пределах 1га (рис. 2):

поле №2 южного селекционного севооборота (МУ-1);

участок поля эколого-ландшафтных систем севооборотов между лесополосами № 178, 179 и 180 (МУ-2);

бывший орошаемый участок поля между лесополосами №138, 211 и (ОУ-1);

бывший орошаемый участок поля отдела кормопроизводства между лесополосами №138, 211 и 156 (ОУ-2);

участок на солонцовом мелиоративном стационаре №1(СТ-1).

участок на солонцовом мелиоративном стационаре №2 (бывший участок десятого поля элитного севооборота), расположенном в верховье балки Нужной (СТконтрольный участок, заложенный Ю.И. Чевердиным в 2006 г., на косимой залежи заповедника №1.

Вторая часть исследований посвящена выявлению степени временного варьирования некоторых основных свойств черноземных почв Каменной Степи под влиянием антропогенных факторов в зависимости от срока эксплуатации пашни, ее расположения в агроландшафте (широкий плоский водораздел и склон). Для этого нами был заложен ряд ключевых участков (рис. 2):

контрольный участок – залежь косимая 1882 г.;

пашня на водоразделе, введенная в эксплуатацию в 1992 г.;

пашня на водоразделе, введенная в эксплуатацию в 1952 г.;

пашня на склоне восточной экспозиции с уклоном 1-3о, введенная в эксплуатацию 1952 г. и расположенная южнее лесополосы № 126.

Почвенный покров мониторинговых участков плоского водораздела представлен четырехкомпонентной пятнистостью черноземов обыкновенных (агрочерноземов сегрегационных), черноземов типичных (агрочерноземов миграционно-мицелярных), черноземов зоогенно-перерытых (агрочерноземов зоотурбированных) и черноземов выщелоченных (агрочерноземов глинисто-иллювиальных). Почвенный покров солонцовых стационаров №1 и №2 представлен сочетанием черноземов обыкновенных и черноземов зоогенно-перерытых на выпуклых элементах рельефа, черноземов солонцеватых на пологих бортах лощин, лугово-степных черноземных содово-сульфатных солонцов и черноземов выщелоченных (несолонцеватых) по днищам лощин (Антипов-Каратаев и др., 1960).

Рис. 2. Схема расположения заложенных мониторинговых участков (МУ-1, МУ-2, ОУ-1, ОУ-2, СТ-1, СТ-2) и ключевых участков (1 – косимая залежь, 2 – пашня 1952 г. на водоразделе, 3 – пашня 1992 г., 4 – пашня 1952 г. на склоне) в межполосье Каменной Степи На мониторинговых участках была нанесена регулярная сеть скважин ручного бурения через каждые 25 м. На солонцовых стационарах №1, 2 скважины бурились также по сетке, но с учетом особенностей СПП данных участков. Каждая скважина привязана с помощью GPS. Планируется, что периодичность наблюдения за данными мониторинговыми участками составит 5; 10; 15; 25 и 50 лет.

В процессе бурения устанавливалась глубина залегания горизонтов, отличающихся окраской и наличием карбонатов кальция (тест на вскипание от 10% HCl), и производился отбор образцов почв. Образцы почв отбирались сплошной колонкой с глубины: 0-20, 20-30, 30-50, 50-70, 70-100, 100-120 и 120-150 см.

Исследования, наблюдения и анализы проводились в лаборатории агропочвоведения ГНУ Воронежского НИИСХ имени В.В. Докучаева:

1. Гумус – по методу И.В. Тюрина в модификации В.Н. Симаковой (ГОСТ 26213-91).

2. Качественный состав гумуса – по методу И.В. Тюрина в модификации В.В.

Пономаревой и Т.А. Плотниковой (Орлов и др., 1969).

3. Обменные кальций и магний – трилонометрически по методике Почвенного института («Агрохимические методы исследования почв», 1960).

4. Обменный натрий – метод ЦИНАО (1977) (ГОСТ 26950-86).

5. рН солевой (1,0н KCl) и водной вытяжек – потенциометрически (ГОСТ 26483-85).

6. Гидролитическая кислотность по Каппену (ГОСТ 26212-91).

7. Сумма поглощенных оснований – по Каппену-Гильковицу (ГОСТ 27821-88);

8. Степень насыщенности основаниями – расчетным способом по гидролитической кислотности и сумме обменных оснований.

9. Влажность почвы – термостатно-весовым методом (взятие проб до глубины 1 м через каждые 10 см) (Александрова, Найденова, 1986).

10. Структурный состав по Саввинову (Вадюнина, 1986).

11. Объемная масса почвы – методом взятия почвенных проб с ненарушенным сложением с помощью режущих колец (Вадюнина, 1986).

12. Плотность твердой фазы почвы (удельный вес) – пикнометрически (ГОСТ 5181-78 и ГОСТ 5180-84).

13. Нитратный азот – спектрофотометрически.

14. Подвижный фосфор и обменный калий – по Чирикову (1956).

15. Морфологические свойства почв – по методическому руководству описания свойств почв в поле («Базовая шкала…», 1982).

16. Глубина нахождения карбонатов – по вскипанию горизонта от раствора 10% соляной кислоты.

17. Фенологические наблюдения – по методике Госкомиссии по сортоиспытанию сельскохозяйственных культур (1971).

18. Учет продуктивности растений методом метровок в 5-кратной повторности, зерно в пересчете на 14% влажность.

19. Метеорологические наблюдения по среднемесячной температуре и сумме выпавших осадков представлены из материалов Каменно-Степной метеостанции.

20. Экспериментальные данные подвергались статистической обработке дисперсионным и корреляционным методами по Б.А. Доспехову (1985) с помощью прикладных программ Microsoft Exel и Statistika. Графики выполнены с помощью программ Microsoft Exel и Statistika. Для пространственной экстраполяции результатов использовались геостатистические возможности стандартного пакета Surfer – V.9.0.

В третьей главе показано пространственное распределение основных показателей плодородия черноземов Каменной Степи.

Основные морфометрические показатели. С учетом особенностей структуры почвенного покрова нами получены статистические характеристики варьирования морфометрических показателей черноземов Каменной Степи, отражающих мощность и глубину залегания границ генетических горизонтов (табл. 1). Максимальная мощность гумусового горизонта характерна для косимой залежи и солонцового Таблица 1 – Статистические характеристики распределения морфометрических показателей на мониторинговых участках стационара №2 - 53 и 45 см соответственно. Для остальных объектов она изменяется от 28 до 38 см. Повышенная мощность гумусового горизонта для почв избыточного увлажнения, характерного для солонцовых стационаров, обусловлена концентрацией в них основной массы корней и снижением интенсивности минерализации органического вещества. Статистическая обработка данных показывает, что максимальная величина коэффициента вариации мощности гумусового горизонта наблюдается в черноземах солонцовых стационаров – 40%, на плоских водоразделах коэффициент вариации не превышает 25%.

На основе морфологического описания получены картосхемы распределения в пространстве нижней границы горизонта АВ и верхней границы вскипания от HCl (рис. 3; 4). Различия мощности гумусового горизонта соответствуют особенностям СПП и влиянию микрорельефа данных участков. Проведенные нами исследования показали, что почвенный покров агроландшафтов Каменной Степи представлен сложными сочетаниями, пятнистостью и комплексами обыкновенных, выщелоченных, типичных и зоогенно-перерытых черноземов разной мощности и степени выщелоченности, которые характеризуются значительным внутрипольным варьированием основных морфометрических параметров.

51. 51. Рис.3. Картосхемы мощности гумусового горизонта: а) поле южного селекционного севооборота (водораздел); б) косимая залежь; в) участок на солонцовом стационаре № 51. Рис.4. Картосхемы глубины вскипания от HCl: а) бывший орошаемый участок; б) поле экологоландшафтных систем севооборотов; в) участок на солонцовом стационаре № На рис. 5 изображены диаграммы размаха морфометрических параметров на ключевых участках.

Рис. 5. Диаграммы размаха: а) мощности горизонта А, см; б) нижней границы горизонта АВ, см; в) При сравнении средних величин мощности гумусового горизонта (по t-критерию Стъюдента) получены достоверные отличия этого показателя на пашнях и солонцовом стационаре №1 по сравнению с косимой залежью. Максимальное различие было отмечено между участком МУ-2 и косимой залежью (tрасч. =9,56>tтаб. =2,04), минимальное – между участком ОУ-1 и косимой залежью (tрасч. =3,18>tтаб. =2,04). Для пары участков СТ-2 и косимая залежь существенных различий найдено не было (tрасч.

=1,95tтаб. =2,04) и МУ-2 (tрасч. =5,53>tтаб. =2,04) по сравнению с косимой залежью. Между водораздельным участком, солонцовыми стационарами и