Гранулометрия агропочв юга западной Сибири и их физическое состояние (стр. 1 )

На правах рукописи

ГРАНУЛОМЕТРИЯ АГРОПОЧВ ЮГА ЗАПАДНОЙ СИБИРИ
И ИХ ФИЗИЧЕСКОЕ СОСТОЯНИЕ

Специальность 06.01.03 – агропочвоведение, агрофизика

Автореферат

диссертации на соискание учёной степени

доктора сельскохозяйственных наук

Барнаул 2008

Работа выполнена в Алтайском государственном аграрном университете

Официальные оппоненты: академик РАСХН, доктор

сельскохозяйственных наук, ;

член-корреспондент РАЕН,

доктор географических наук,

ведущий научный сотрудник

доктор сельскохозяйственных

наук, профессор ;

Ведущая организация: Московский государственный университет

Защита диссертации состоится «5» марта 2009 года в 900 часов на заседании диссертационного совета Д 220.002.01 в Алтайском государственном аграрном университете (656049 г. Барна)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Алтайского государственного аграрного университета

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью, просьба высылать по указанному адресу учёному секретарю диссертационного совета. E-mail: *****@***ru Тел./

Автореферат разослан «….» 2009 года

Учёный секретарь диссертационного

совета доктор сельскохозяйственных

наук, доцент

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы. Значение гранулометрического состава в почвообразовании известно давно. Гранулометрический состав как важный признак положен в основу выделения одной из таксономических единиц современной классификации почв – разновидности. Во многих работах (, , и др.) подчёркивается агроэкологическая роль гранулометрического состава, определяющего плодородие почвы. Гранулометрический состав является основной агрофизической характеристикой, а также используется при оценке мелиоративного состояния почв. Все характеристики почв (агроэкологическая, агрофизическая, мелиоративная) проводятся на основе содержания физической глины (частиц размером менее 0,01 мм). Хотя почвенно-физические свойства зависят не столько от содержания физической глины, сколько от соотношения гранулометрических фракций, определяющих особенности структуры и функций на следующих, более высоких уровнях организации почвы.

Несмотря на большое различие свойств гранулометрических фракций, тем не менее, роль структуры гранулометрического состава в формировании почвенно-физических условий жизни растений не исследовалась. По крайней мере, в российской почвенной науке таких сведений нет. В зарубежной литературе на эту проблему обращается большое внимание, особенно в мелиоративных исследованиях. Таким образом, исследования по обозначенной проблеме актуальны как в теоретическом, так и в прикладном аспектах.

Целью исследований стало изучение региональных, зональных и внутризональных особенностей структуры гранулометрического состава агропочв предалтайских равнин, оценка степени влияния этой структуры на почвенно-физические условия мелиорации.

Для достижения поставленной цели следовало решить ряд задач:

1) выявить региональные закономерности гранулометрического состава агропочв;

2) установить зональные особенности гранулометрии агропочв;

3) исследовать внутризональные особенности гранулометрии пахотных почв;

4) определить специфику разновидностей агропочв;

5) изучить зональные и внутризональные особенности физического состояния агропочв в зависимости от гранулометрического состава;

6) дать сравнительную характеристику физического состояния разновидностей агропочв;

7) разработать модели прогноза физических свойств агропочв и солесодержания по результатам анализа гранулометрического состава.

Научная новизна. Впервые для всех классов почв (начиная с супесчаного и заканчивая глинистым) и зональных агропочв предалтайских равнин выявлены границы пространственной вариабельности количества различных фракций гранулометрического состава, определены относительно специфичные интервалы содержания песчаных частиц, крупной средней и мелкой пыли, илистой фракции и физической глины. Впервые для Азиатской части России проведено сравнение структуры гранулометрического состава по классам агропочв (супесчаные, легко-, средне-, тяжелосуглинистые и глинистые), выявлено влияние различных текстур гранулометрического состава почвы на их физическое состояние. Впервые разработаны модели прогноза физических свойств, содержания катионов и анионов водной вытяжки по результатам анализа гранулометрического состава, то есть содержания фракций элементарных почвенных частиц (ЭПЧ) и их соотношения.

На защиту выносятся:

1) Региональные, зональные, внутризональные особенности структуры гранулометрического состава агропочв;

2) Зависимость физического состояния почв от структуры гранулометрического состава;

3) Модели прогноза физических свойств агропочв и соленакопления по данным гранулометрического состава.

Практическая значимость работы. На базе исследований составлена карта гранулометрического состава агропочв Алтайского Приобья и разработаны информационно-логические модели прогноза физических свойств, содержания солей и ионов водной вытяжки по данным гранулометрического состава. Полученные материалы позволяют прогнозировать физические свойства почв и количество солей в зависимости от содержания фракций ЭПЧ.

Апробация работы. Материалы по проблеме диссертации докладывались на III, IV, V съездах Всероссийского общества почвоведов им. , международных, всероссийских и региональных конференциях, конференциях профессорско-преподавательского состава Алтайского государственного аграрного университета, заседаниях Алтайского и Томского филиалов Докучаевского общества почвоведов.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 41 печатная работа, в том числе 6 монографий, 8 статей в изданиях, предложенных Перечнем ВАК, сборниках научных статей, материалах конференций, съездов.

Личный вклад автора. Автор сформулировал цель работы, поставил задачи исследования, проанализировал результаты, сделал итоговые выводы. Автор спланировал и организовал проведение полевых экспериментов и лично принимал участие в осуществлении полевых работ. Математическая часть работы, включающая статистическую обработку полученных данных, построение математических моделей полностью выполнена автором.

Объём и структура работы. Диссертационная работа изложена на 299 страницах компьютерного текста и состоит из введения, 5 глав, выводов, включает 62 таблицы, 73 рисунка. Библиографический список составлен из 209 наименований, в том числе 20 работ зарубежных авторов.

Персоналии. Выражаю искреннюю благодарность Заслуженному деятелю науки, доктору сельскохозяйственных наук, профессору Лидии Макаровне Бурлаковой, доктору биологических наук, главному научному сотруднику ИПА СО РАН, Владимиру Михайловичу Курачеву, доктору биологических наук, профессору Леониду Михайловичу Татаринцеву за ценные советы при написании диссертации. Также выражаю признательность докторам биологических наук, профессорам , за беседы, которые помогли наметить программу исследований и совершенствовать содержание работы. За помощь в оформлении работы выражаю благодарность кандидату сельскохозяйственных наук и всем сотрудникам кафедры землеустройства, земельного и городского кадастра.

1. СОСТОЯНИЕ ИЗУЧЕННОСТИ ПРОБЛЕМЫ

Литературный обзор, сделанный более чем по 200 источникам подтверждает, что гранулометрия определяет гидрофизические, механические, реологические свойства почв, но роль структуры гранулометрического состава пока остаётся невыясненной, хотя интерес к этой проблеме значительно возрастает, особенно в зарубежной литературе. Интерес вызван тем, что соотношение гранулометрических фракций влияет на устойчивость почвенной структуры к механическим деформациям, противоэрозионную стойкость агрегатов, фильтрацию поливной воды, скорость и качество промывок засолённых почв, интенсивность почвообразовательных процессов.

2. ФАКТОРЫ ФОРМИРОВАНИЯ ТОЛЩИ ОСАДОЧНЫХ ПОРОД

2.1. Геоморфоструктуры Алтайского Приобья

Основные черты современной морфоструктуры Западно-Сибирской равнины окончательно сформировались в четвертичное время (Архипов и др., 1970). Территория Алтайского Приобья имеет форму амфитеатра, открытого на север, северо-запад и юго-запад. Исследуемая территория состоит из полого наклонённых к северу и северо-западу пластовых денудационных равнин и платообразных возвышенностей, образующих ступени. Присалаирье, Предалтайская предгорная равнина Бие-Чумышская возвышенность и Приобское плато относятся к внешней морфоструктурной зоне (рис. 1). В состав внутренней морфоструктурной зоны входит Кулундинская депрессия (низменность), продолжением которой является Барабинская низменная равнина.

Рис. 1. Схема основных морфоструктурных зон юго-восточной части
Западной Сибири (Адаменко и др., 1969; Вдовин, Малолетко, 1969;
Файнер, 1969; Адаменко, 1974).

Отрицательные формы макрорельефа; 1 – луговая пойма; 2 – песчано-супесчаные надпойменные террасы; 3 – дюнно-гривисто-боровые долины и озёрно-аллювиальные дельты ложбин древнего стока. Границы морфоструктурных зон: 4 – слабо выраженные (переход постепенный); 5 – заметно выраженные (переход ступенчатый); 6 – резко выраженные в рельефе (тектонические уступы)

Наиболее древней морфоструктурой является Предалтайская равнина, более молодыми морфоструктурами считаются Каменско-Чумышское Присалаирье и Бие-Чумышское (Обь-Чумышское) и Приобское плато. Эти морфоструктуры с востока окаймлены Салаирским кряжем, с юга и юго-запада – Горным Алтаем. На западе Алтайского края находится самая молодая морфоструктура – Кулундинская депрессия (низменность), к которой приурочена Кулундинская сухая степь.

2.2. Литогенез и почвообразующие породы

История формирования и эволюции морфоструктур Алтайского Приобья обусловили пространственную пестроту рыхлых осадочных пород, которые в конечном итоге стали исходным материалом для почвообразования.

В Кулундинской степи почвообразование протекает на озёрно-аллювиальных отложениях кулундинской свиты, перекрытых лёссовидными суглинками мощность которых изменяется от 0,5 до 6 м. Обычно лёссовые отложения приурочены к межозёрным гривам и «островам».

Дельты ложбин древнего стока и их террасы сложены аллювиальными песками и супесями и перекрыты делювиальными суглинками.

На Приобском и Бие-Чумышском плато распространены субаэральные лёссовые породы среднекраснодубровской подсвиты. На водораздельных пространствах плато мощность лёссовых отложений достигает 15-20 м, местами больше, на террасах реки Оби и террасированных склонах ложбин древнего стока 1-5 м. Породы лёссового облика с характерным крупнопылеватым составом занимают обширные увалы плато.

На низких надпойменных террасах Бие-Чумышской возвышенности исходным материалом для почвообразования послужили опесчаненные легко - и среднесуглинистые облёссованные отложения.

Многометровая толща покровных суглинков вдоль Алтае-Салаирского обрамления сильно облёссована, но в предгорьях Салаира и Алтая мощность лёссовых образований по сравнению с платообразными равнинами значительно сокращается, что связано со смывом рыхлого осадочного материала в межгорные понижения. В Присалаирье толща лёссовидных суглинков не превышает 5-6 м. Ближе к подножию Салаира лёссовые отложения становятся тяжелее и мощность их возрастает до 7-8 м (Орлов, 1983). На Предалтайской наклонной равнине и предгорьях Алтая распространены элювий и делювий коренных пород (Карманов, 1965).

Верхняя толща лёссовых отложений мощностью 6-10 м имеет послеледниковый возраст (не старше. 11-12 тыс. лет) и относится ко времени последней норильской (сартанской) стадии зырянского оледенения (Архипов и др., 1970; Архипов, 1971). Эоловый материал для накопления мощных толщ лёссовых отложений выносился из Казахстана, а возможно, даже из Средней Азии (Малолетко, 1963; Архипов, 1971; Адаменко, 1974). и (1969) предполагают, что во время самаровского оледенения, эоловый материал вследствие возникновения пыльных бурь мог поступать и из центральных районов Кулунды. Развеиванию подвергались отложения обширных дельтовых пространств Кулунды и ложбин древнего стока Приобского плато, о чем свидетельствует хорошо сохранившийся дюнный рельеф.

Основными факторами, определяющими пространственное размещение почвообразующих пород являются аллювиальная и озерная аккумуляция рыхлых осадков, скорость поверхностных водотоков, интенсивность делювиального смыва, эоловый перенос и отложение пыли, а также синтетические процессы выветривания и почвообразования. Количество субаэрально отложенного материала и интенсивность процессов выветривания и почвообразования нарастает в направлении от Кулундинской степи к предгорьям Салаира и Алтая, что обусловлено биоклиматическими условиями и гипсометрическими уровнями территории Алтайского Приобья.

2.3. Климатические условия

В пределах равнинной территорий края выделяются следующие природные зоны (Сляднев, Сенников, 1972; Сляднев, 1973): 1) сухая степь; 2) типичная степь; 3) колочная степь; 4) южная лесостепь; 5) северная лесостепь; 6) подтайга.

Краткая характеристика типов климата по сумме температур выше 10°С, годовому и сезонному количеству осадков и некоторым другим параметрам приводится в таблице 1.

Таблица 1

Климатические параметры природных зон Алтайского Приобья

Природная зона (подзона)	Радиационный баланс ккал/см2 в год	Испаряемость, мм; IV-IX месяцы	Осадки, мм	Сумма температур выше 10°С	ГТК по Селянинову, за V-IX месяцы	Продолжительность периода с t>10°С	Средняя высота снежного покрова, см
год	IV-IX месяцы
Салаир (подтайга)	32-36	380-400	450-500	330-360		1,58	110-125	50-60
Северная лесостепь Присалаирья	30-32	380-400	400-450	280-340		1,67	122-128	35-50
Средняя лесостепь	32-36	380-470	350-400	250-280		1,31	123-132	28-45
Предгорья Северного Алтая (лесостепь)	38-40	400-550	450-700	350-500		2,04	133-137	50-65
Предгорья Северо-Западного Алтая (луговая степь)	38-40	470-600	400-600	300-450		1,90	130-137	40-45
Колочная степь	36-40	470-550	320-350	230-250		0,95	125-135	31-35
Засушливая (типичная) степь	40-42	550-600	300-330	210-230		0,81	126-137	30-35
Сухая степь	>42	600-700	230-300	180-210		0,65	131-136	30-33

Из материалов следует, что чернозёмы Присалаирья и предгорий северного Алтая формируются в условиях промывного типа водного режима, чернозёмы средней лесостепи и северо-западного Алтая – периодически промывного, чернозёмы колочной и засушливой степи, каштановые почвы сухой степи – непромывного. Оптимальными с точки зрения естественных процессов почвообразования, являются условия предгорий Алтая (Хмелёв, 1989). В этом случае процессы массопереноса скомпенсированы, а затраты энергии на почвообразование максимальны. Следует вместе с тем отметить, что чернозёмы, обладая большими запасами свободной энергии, аккумулированной в гумусе, являются крайне неравновесными системами, а следовательно, отзывчивы на любые изменения массо - и энергообмена с окружающей средой.

3. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДОЛОГИЯ ИССЛЕДОВАНИЯ

3.1. Объекты исследования

Общие закономерности пространственного размещения почв на исследуемой территории Алтайского края установлены давно (Герасимов, 1940; Горшенин, 1955; Почвы..., 1959; Хмелёв, 1989; и др.),

В пределах аллювиальных равнин Алтайского края получили развитие чернозёмы выщелоченные и оподзоленные разной мощности и гумусированности, типичные, как правило, мощные и тучные, обыкновенные, преимущественно среднемощные мало - и среднегумусные, южные обычно маломощные и малогумусные, а также хемогенные – солонцеватые и осолоделые, приуроченные к зонам аккумуляции общего геохимического стока (Хмелёв, 1982, 1988, 1989). На крайнем западе и юго-западе расположена зона сухих степей, в которой сформировались тёмно-каштановые и каштановые почвы.

Явная современная зависимость пространственного размещения основных подзональных подтипов чернозёмов и зоны каштановых почв от ороклиматических условий, несомненно, унаследована от доземледельческого периода развития этих почв, когда решающую роль в почвообразовании играл биологический фактор. В настоящее время, в связи с тем, что естественные биоценозы лесостепного и степного типа заменены на агроценоз, географическая приуроченность основных типов и подтипов почв, как считает ёв (1988, 1989), поддерживается в основном различиями гидротермического режима, обусловленными в свою очередь, особенностями строения поверхности.

При этом подзоны южных и обыкновенных чернозёмов, а так же зону каштановых почв ёв относит, к системе широтной почвенной зональности, испытывающих лишь косвенное влияние гор, что выражается в их субмеридиональности, то подзона выщелоченных и оподзоленных – к системе вертикальной почвенной поясности. Она проявляется, как известно, в результате так называемого прямого влияния гор (в результате последовательного изменения климатических условий по мере увеличения абсолютных высот).

3.2. Методология анализа гранулометрического состава почв

В своих исследованиях широко применяли системный подход. С позиции системного подхода почва рассматривается как самостоятельная природная система, сформировавшаяся в результате взаимодействия различных факторов почвообразования: климата, рельефа, живого вещества, прежде всего растительности, почвообразующих пород и времени. Контроль со стороны факторов почвообразования осуществляется через элементарные почвообразовательные процессы – ЭПП (Герасимов, 1956, 1973, 1986). В результате почвообразовательные процессы в течение длительного времени (временного тренда) приводят к образованию нормальной (зональной) почвы, под которой (1993, 2004) понимает модальную для той или иной зоны почву.

Методология генетического анализа почвы, формирующейся по правилу (факторы, процессы, свойства) достаточно проста. Свойства горизонтов сравниваются с залегающей под почвой породой, и делается вывод об изменениях свойств породы под влиянием почвенных процессов. В почвоведении для получения информации о почве давно используется субстантивный подход (Соколов, 1993, 2004). Субстантивный подход применялся при изучении состава и структурной организации почвы. При субстантивном подходе используется широкий арсенал прямых методов (Аринушкина, 1971; Вадюнина и др., 1986).

Морфологические методы использовали на всех уровнях изучения организации почвы. Морфологические методы представляют интерес на первых стадиях изучения почвы: классификации, группировки объектов исследования. Особенно высока роль морфологических методов при полевой диагностике почв, генетическом «прочтении» почвенного профиля, отборе образцов, выборе ключевых участков и точек для стационарных исследований, картографировании почв и т. д. (Соколов, 2004).

Для понимания полученных результатов использовали следующие способы генетической интерпретации фактических материалов: сравнительно-профильный, сравнительно-профильно-режимный, сравнительный эколого-генетический (сравнительно-географический).

Изучение особенностей гранулометрического состава, физического состояния в зависимости от гранулометрического состава проведено во всех почвенно-географических зонах (подзонах), описанных выше. В обобщении использованы данные, полученные проектными организациями «Алтайводпроект» и «АлтайНИИземпроект», а также . В обработку включено более 500 разрезов, заложенных в различных природных условиях.

При выявлении зональных особенностей и факторов пространственной изменчивости гранулометрического состава, определении границ и степени варьирования содержания отдельных фракций ЭПЧ использованы методы вариационной статистики. (Плохинский, 1970; Савич, 1972; Доспехов, 1979).

Расчёт статистических показателей (средней арифметической – М, средних квадратичных отклонений – σ, ошибок средних – m и коэффициентов вариации – V) произведен по формулам (1979) с использованием ЭВМ.

За границы доверительного интервала средней арифметической величины принят лимит М±tm (где t – критерий Стьюдента при заданной вероятности).

Для распознавания различий в содержании фракций ЭПЧ, параметров физического состояния пахотного горизонта почв широко использовали построение эмпирических кривых распределения, которые позволяют выявить специфичные и относительно специфичные значения для данной почвы. Такой метод диагностики достаточно широко применяется в медицине (Генес, 1967; Цитировано по , 1984), биологии (Плохинский, 1970), почвоведении (Таргульян, 1971; Бурлакова, 1975, 1984; Рассыпнов, 1977, 1993; Татаринцев, 1993) и других областях знания. Сравнение кривых распределения сделано по критерию Колмогорова-Смирнова (λ), который рассчитан по алгоритмам (1970).

Для определения наиболее вероятных значений параметров мелиоративного состояния и установления зависимости этих параметров от структуры гранулометрического состава использован информационно-логический анализ (Пузаченко, Мошкин, 1969). Описание алгоритма информационно-логического метода обработки данных сделано в работе (1987).

4. ГРАНУЛОМЕТРИЧЕСКИЙ СОСТАВ АГРОПОЧВ
ПРЕДАЛТАЙСКИХ РАВНИН

4.1. Региональные закономерности гранулометрии агропочв

В пределах предалтайских равнин наблюдается общая пространственная закономерность, отмечаемая многими исследователями почв региона (Почвы…, 1959; Панфилов, 1973; Агрофизическая характеристика…, 1976; Почвенно-физические условия…, 1977; Хмелёв, 1989; , 1993, 2005; , 1998, 2004; и др.). При движении с юго-запада на северо-восток по мере продвижения к горам Салаира и Алтая в связи с увеличением возраста почв повышается их оглиненность. Пространственное размещение почв различного гранулометрического состава в пределах предалтайских равнин изображено на карте-схеме (рис. 2). На карте-схеме видно, что песчаные почвы находятся в пределах ложбин древнего стока, занятых сосновыми борами, а также приурочены к I и II надпойменным террасам реки Обь (правобережье), на которой также расположены сосновые леса.