Научный журнал Российского НИИ проблем мелиорации, № 2(18), 2015 г., [98-110]
Основные свойства и характеристики черноземов степной зоны
Введение
Черноземы обыкновенные (сегрегационные) степной зоны приурочены к Южнорусской провинции фации теплых промерзающих почв [1]. Обыкновенные черноземы по своему строению и внешнему облику схожи с типичными. В отличие от последних, они имеют меньшую мощность гумусового профиля, менее темную окраску, менее прочную комковато-зернистую структуру, сильнее перерыты землероями, имеют менее плотное сложение. Линия вскипания чаще всего приурочена к нижней части гумусовой толщи, но может опускаться и ниже. Важным отличием степных черноземов от лесостепных является наличие сегрегационных форм карбонатных новообразований в виде белоглазки [2, 3]. Высокий потенциал этих почв остается нереализованным за счет часто повторяющихся засух и суховеев, активного развития водной и ветровой эрозии, экстенсивного ведения сельскохозяйственного производства. Показатели, определяющие плодородие почв, в степной зоне весьма многочисленны [2, 4].
Важнейшая особенность черноземов - богатство гумусом. Процесс гумусообразования в черноземных почвах разных природных округов региона отличается. Направленность и интенсивность данного процесса определяются исходным содержанием гумусовых веществ в почве, климатическими условиями территории, а также долей сельскохозяйственной нагрузки на черноземы [5-8].
Изменение сложившейся ситуации требует информационного обеспечения экологической оценки текущего состояния черноземов, краткосрочного и долгосрочного прогнозов их развития, организации действенной системы комплексного агроэкологического мониторинга земель.
В связи с этим целью наших исследований являлась оценка современного состояния и трансформации свойств черноземов степной зоны.
Материалы и методы. Исследования, наблюдения и анализы проводили следующими методами:
- гумус - по методу И. В. Тюрина в модификации В. Н. Симакова (ГОСТ 26213-91 ГОСТ 26213-91 «Почвы. Методы определения органического вещества»);
- качественный состав гумуса - по методу Тюрина в модификации Пономарёвой и Плотниковой [9];
- рН солевой в 1,0 н. KCl вытяжке; водной вытяжки - потенциометрически (ГОСТ 26483-85 ГОСТ 26483-85 «Почвы. Приготовление солевой вытяжки и определение ее pH по методу ЦИНАО»);
- гидролитическая кислотность - по Каппену (ГОСТ 26212-91 ГОСТ 26212-91 «Почвы. Определение гидролитической кислотности по методу Каппена в модификации ЦИНАО»);
- обменные кальций и магний - трилонометрически. Вытеснение обменных катионов кальция и магния - хлористым натрием. Методика Почвенного института [10];
- обменный натрий - по методу ЦИНАО (ГОСТ 26950-86 ГОСТ 26950-86 «Почвы. Метод определения обменного натрия»).
Отбор почвенных образцов осуществлялся по слоям 0-10, 10-20, 20-30, 30-40, 40-50 см в четырехкратной повторности. Математическая обработка проводилась с использованием прикладного пакета Statistika 6.0.
Объекты исследований: Каменная Степь (Воронежская обл., Таловский р-н) - залежь 1882 г. (чернозем обыкновенный среднемощный легкоглинистый на лессовидных глинах, глубина устойчивого вскипания - 78 см), пашня 1992 и 1952 гг. распашки (чернозем обыкновенный среднемощный среднесуглинистый на карбонатных лессовидных глинах, вскипание 58-60 см). Пахотные участки были заложены в ходе проведения систематических мониторинговых исследований, осуществляемых в НИИСХ ЦЧП в лаборатории агропочвоведения: Богучарский р-н, Воронежская обл. (чернозем обыкновенный среднемощный малогумусный тяжелосуглинистый на карбонатных покровных суглинках, вскипание 40 см); Ботанический сад Южного федерального университета, Ростовская обл. (чернозем обыкновенный среднемощный малогумусный среднесуглинистый на лессовидном карбонатном суглинке, вскипание 38 см); Краснодарский край, Кущевский р-н (чернозем обыкновенный мощный малогумусный тяжелосуглинистый на карбонатных темно-бурых лессовидных глинах, вскипание 29 см).
Результаты и обсуждение
Проведенные исследования гумусового состояния черноземов выявили существенные различия, определяемые как характером использования почв, так и их географическим положением. Характер профильного распределения гумуса в полуметровой толще почв во всех разрезах похожий - постоянно убывающий сверху вниз по профилю. Максимальным содержанием гумуса характеризовались черноземы Каменной Степи (таблица 1). На залежном степном участке в верхнем слое почвы 0-10 см содержание гумуса составило 9,77 %. Черноземы обыкновенные юга Воронежской и Ростовской областей в силу своих генетических особенностей имели существенно меньшее содержание гумуса. В количественном выражении эти значения были близки между собой и находились в пределах от 4,46 % (разрез 4) до 4,24 % (разрез 6). Таким образом, черноземные почвы, сформированные и находящиеся в настоящее время в условиях активного влияния «Докучаевского» лесомелиоративного комплекса, сохранили природно обусловленную более высокую обеспеченность гумусом. Разница в абсолютном выражении составляет более чем 2-кратную величину.
Таблица 1 - Содержание гумуса в почвах степной зоны
|
Ключевой участок |
Слой, см |
Гумус, % |
Градиент снижения гумуса, % |
|
|
Разрез 1 - Чоб, Таловский р-н, пашня с 1952 г. |
0-10 |
6,72 ± 0,157 |
- |
|
|
10-20 |
6,65 ± 0,147 |
0,07 |
||
|
20-30 |
6,44 ± 0,156 |
0,21 |
||
|
30-40 |
6,18 ± 0,181 |
0,26 |
||
|
40-50 |
5,02 ± 0,199 |
1,16 |
||
|
Разрез 2 - Чоб, Таловский р-н, пашня с 1992 г. |
0-10 |
8,87 ± 0,395 |
- |
|
|
10-20 |
8,38 ± 0,356 |
0,49 |
||
|
20-30 |
7,58 ± 0,158 |
0,80 |
||
|
30-40 |
5,75 ± 0,283 |
1,83 |
||
|
40-50 |
5,19 ± 0,326 |
0,56 |
||
|
Разрез 3 - Чоб, Таловский р-н, залежь |
0-10 |
9,77 ± 0,411 |
- |
|
|
10-20 |
9,69 ± 0,370 |
0,08 |
||
|
20-30 |
7,81 ± 0,174 |
1,88 |
||
|
30-40 |
7,40 ± 0,377 |
0,41 |
||
|
40-50 |
6,55 ± 0,618 |
0,85 |
||
|
Разрез 4 - Чоб, Богучарский р-н, пашня |
0-10 |
4,46 ± 0,189 |
- |
|
|
10-20 |
4,06 ± 0,213 |
0,4 |
||
|
20-30 |
3,78 ± 0,153 |
0,28 |
||
|
30-40 |
3,33 ± 0,205 |
0,45 |
||
|
40-50 |
3,27 ± 0,156 |
0,06 |
||
|
Разрез 5 - Чоб, г. Ростов-на-Дону, Ботсад, залежь |
0-10 |
4,13 ± 0,289 |
- |
|
|
10-20 |
3,45 ± 0,249 |
0,68 |
||
|
20-30 |
2,11 ± 0,199 |
1,34 |
||
|
30-40 |
2,01 ± 0,223 |
0,10 |
||
|
40-50 |
1,89 ± 0,185 |
0,12 |
||
|
Разрез 6 - Чоб, Кущевский р-н Краснодарского края, пашня |
0-10 |
4,24 ± 0,326 |
- |
|
|
10-20 |
2,93 ± 0,296 |
1,31 |
||
|
20-30 |
2,82 ± 0,283 |
0,11 |
||
|
30-40 |
2,59 ± 0,212 |
0,23 |
||
|
40-50 |
1,95 ± 0,129 |
0,64 |
Исследования черноземов Каменной Степи с различной длительностью антропогенной нагрузки показали, что длительное (более 50 и 20 лет) использование черноземных почв как пашни сопровождается заметным снижением содержания гумуса по всему исследуемому профилю. Так, в слое 0-10 см его количество снижается в 1,45 и 1,10 раза по сравнению с залежью соответственно. Различия в содержании гумуса были характерны для всего исследуемого профиля почвы.
Таким образом, длительная распашка черноземных почв и вовлечение их в сельскохозяйственное использование привели к заметному снижению содержания гумуса на 3,05 % (пашня 1952 г.) и 0,90 % (пашня 1992 г.) (в абсолютных величинах) по сравнению с залежью. Вовлечение почвы в пашню в течение 20 лет способствовало постепенному снижению количества гумуса в слоях 0-10 и 10-20 см, которое также отразилось на нижележащих почвенных горизонтах.
Распашка черноземов вызывает существенное преобразование естественных факторов почвообразования за счет замены постоянной степной травянистой растительности ежегодно сменяемыми сельскохозяйственными культурами агроценозов и проведения периодических разнообразных механических обработок пахотного слоя. Они способствуют развитию ряда деградационных процессов (уплотнению, разрушению почвенной структуры, декальцификации, снижению эффективного плодородия), вызывающих изменение свойств почв, в первую очередь содержания гумуса [5].
К югу от черноземных почв Каменно-Степного стационара в черноземах обыкновенных Богучарского района Воронежской области, Ботанического сада ЮФУ в Ростовской области и в черноземах Краснодарского края содержание гумуса закономерно и довольно быстро уменьшается сверху вниз. Однако скорость уменьшения гумуса различна. В черноземах, для которых характерно наличие карбонатных выделений, гумуса накапливается меньше, чем в обыкновенных черноземах, и по профилю он убывает быстрее, что, возможно, объясняется менее благоприятными условиями почвообразования.
Пахотные аналоги в силу различной длительности антропогенной нагрузки подвергаются процессам дегумификации. В условиях Каменно-Степного стационара для оценки изменения гумусного состояния почв были взяты образцы почв пашни, находящейся в использовании с 1992 и 1952 гг. Более молодую пашню можно отнести к высокогумусным почвам с содержанием гумуса 8,87 %. Хотя на пашне с более длительным сроком эксплуатации содержание гумуса и снизилось до значения 6,72 %, по существующей классификации она относится к группе высокогумусных почв.
Рассчитанный градиент снижения гумуса показывает, что в почвах естественных ценозов отмечается скачок снижения на глубине 20-30 см независимо от места отбора почвенных проб. Максимальное значение отмечено в залежной почве Каменной Степи (1,88 %). В Ростовской области и Краснодарском крае градиент снижения был существенно ниже (0,23-1,34 %). В пахотных аналогах градиент снижения гумуса имел несколько иную закономерность. На молодой пашне Каменной Степи (1992 г.) максимальный градиент снижения содержания гумуса (1,83 %) был отмечен на глубине 30-40 см. С увеличением длительности использования пашни максимальный градиент смещался в более глубокие горизонты почвы (40-50 см).
Коллоидный комплекс почвы и состав насыщающих его обменно-поглощенных катионов оказывают непосредственное влияние на такие важные свойства почвы, как структура, физико-химические свойства, водный и воздушный режимы, поглотительная способность, емкость обмена, реакция почвенного раствора и буферность, от которых в значительной степени зависит плодородие.
Черноземные почвы характеризуются высокой степенью насыщенности почв основаниями (более 90 %). Несмотря на то, что черноземные почвы отличаются высокой буферностью, в результате антропогенного воздействия происходят существенные изменения в составе коллоидного комплекса. Исследованиями многих авторов было установлено, что черноземные почвы при длительном сельскохозяйственном использовании теряют определенную часть обменно-поглощенного кальция, происходит уменьшение емкости поглощения [3, 11-13].
Проведенные автором исследования показали, что вовлечение в сельскохозяйственное производство степных (залежных) угодий приводит к изменению количественных составляющих ППК, отражающих особенности их современного состояния и развития, которые влияют на уровень плодородия. Исследования, проведенные на территории Каменно-Степного стационара, позволили выявить ряд изменений в состоянии почвенно-поглощающего комплекса черноземных почв под залежью и пашней. Анализируя соотношение поглощенных катионов, входящих в состав ППК черноземов под залежью, следует отметить, что в профиле исследуемой почвы среди обменных катионов основную долю составляют ионы кальция. Их количество в слоях 0-10 и 10-20 см равно 84,7 и 81,6 % соответственно. На долю магния приходится в среднем лишь около 16,5 %, что объясняется более активной биогенной аккумуляцией ионов кальция (таблица 2). Незначительную долю в составе обменных катионов занимают ионы натрия, в среднем их содержание не превышает 0,5 %. В залежных почвах Ботсада ЮФУ доля обменного кальция в верхнем корнеобитаемом слое 0-20 см несколько выше (88,0-85,8 %).