Легкоразлагаемое органическое вещество целинных и пахотных почв зонального ряда европейской части России (стр. 1 )

На правах рукописи

Легкоразлагаемое органическое вещество целинных и пахотных почв зонального ряда европейской части России

Специальность 03.00.27.- почвоведение

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

доктора биологических наук

Москва-2008

Работа выполнена на кафедре почвоведения Российского государственного аграрного университета – МСХА имени

Научный консультант – доктор биологических наук, профессор

Николай Федорович Ганжара

Официальные оппоненты:

доктор биологических наук, профессор Лев Оскарович Карпачевский

доктор биологических наук, профессор Вячеслав Григорьевич Ларешин

доктор биологических наук, профессор Сергей Михайлович Надежкин

Ведущая организация:

Почвенный институт имени , г. Москва

Защита состоится08 г.

вчас на заседании диссертационного совета Д.220.043.02 в Российском государственном аграрном университете – МСХА имени

Адрес: Москва, . Ученый совет РГАУ-МСХА имени .

С диссертацией можно ознакомиться в Центральной научной библиотеке РГАУ-МСХА имени .

Автореферат разослан.г.

и помещен на сайте ВАКа www. vak. *****

Ученый секретарь

диссертационного совета,

кандидат биологических наук

Общая характеристика работы

Актуальность. Конференция ООН по окружающей среде, состоявшаяся в Рио-де-Жанейро в 1992 г. приняла Решение о создании модели устойчивого развития биосферы. Это Решение получило государственную поддержку в России в «Концепции перехода Российской Федерации на модель устойчивого развития». Современный этап развития адаптивно-ландшафтных систем земледелия в России предполагает производство продукции в соответствии с общественными потребностями, обеспечивая при этом создание сбалансированных, высокопродуктивных и устойчивых агроландшафтов, максимально адаптированных к природным условиям региона и обеспечивающих сохранение и повышение плодородия почв.

Для воспроизводства плодородия почвы в традиционном земледелии используют большое количество энергоемких ресурсов. Однако при этом недостаточно учитывается роль почвенно-биологических процессов, тогда как они в определяющей степени обеспечивают воспроизводство плодородия почвы. Интенсивное использование пахотных почв России привело к снижению содержания гумуса, прежде всего за счет его лабильных, легкоразлагаемых форм, к увеличению степени выпаханности, снижению биологической активности почв.

Известна cущественная экологическая и агрономическая роль легкоразлагаемого органического вещества почв, однако, ряд аспектов его состояния остаются малоизученными. Недостаточно изучены скорость и уровни накопления лабильного органического вещества в почвах различных природных зон, влияние содержания и состава легкоразлагаемого органического вещества (ЛОВ) на различные свойства и режимы почв, скорость трансформации лабильной части органического вещества.

Цель работы. Основная цель исследований заключалась в изучении географических закономерностей формирования и функционирования легкоразлагаемого органического вещества в целинных и пахотных почвах зонального ряда европейской части России.

Задачи работы:

1.  Изучить географические закономерности формирования легкоразлагаемого органического вещества почв зонального ряда.

2.  Определить величины накопления и скорость трансформации ЛОВ целинных и пахотных почв зонального ряда.

3.  Изучить возможность использования показателей состояния органического вещества почв в качестве индикатора их выпаханности и разработать методику диагностики степени выпаханности почв различных зон по содержанию легкоразлагаемого органического вещества.

4.  Оценить скорость смыва и скорость формирования гумусового горизонта в эродированных почвах зонального ряда с использованием показателей гумусового состояния почв.

Научная новизна. Впервые в условиях основных природных зон европейской части России проведены комплексные исследования состояния легкоразлагаемого (лабильного) органического вещества зональных целинных и пахотных почв. В приоритетном порядке решены следующие вопросы:

1. Показаны географические закономерности формирования легкоразлагаемого органического вещества в целинных и пахотных почвах зонального ряда европейской части России.

2. Определены величины накопления и время практически полного обновления (Т0,96) легкоразлагаемого органического вещества в почвах основных природных зон европейской части России.

3. Разработан, научно обоснован и апробирован способ определения степени выпаханности почв зонального ряда по соотношению лабильных и стабильных форм органического вещества почв.

4. Установлена возможность оценки скорости смыва и скорости формирования гумусового горизонта в эродированных почвах зонального ряда с использованием показателей гумусового состояния почв.

Защищаемые положения:

1.  Запасы внутрипочвенного легкоразлагаемого органического вещества, включающего корневой опад разной степени разложения и гумификации, в автоморфных целинных и залежных почвах были наиболее высокими и примерно одинаковыми в дерново-подзолистых почвах южно-таежной подзоны, в серых лесных почвах и в черноземах лесостепи. Увеличение количества опада в этом ряду уравновешивалось усилением минерализации. В черноземах степной зоны эти запасы снижались за счет уменьшения количества корневого опада и повышались в каштановых и в светло-каштановых почвах сухих степей из-за иссушения почвенного профиля в летний период и снижения, в связи с этим, интенсивности минерализации;

2.  Явление выпаханности почв связано, в первую очередь, с резким снижением содержания лабильных органических веществ в интенсивно используемых почвах, поэтому для диагностики степени выпаханности целесообразно использовать отношение содержания легкоразлагаемого органического вещества к общему содержанию гумуса. Предлагаются зональные шкалы для характеристики степени выпаханности различных типов почв. Степень выпаханности почв зонального ряда Европейской части России, определенная данным способом, подтверждается изменениями физико-химических, агрохимических и физических свойств исследуемых почв.

3.  Для оценки скорости смыва и скорости формирования гумусового горизонта в эродированных почвах зонального ряда возможно использовать показатели гумусового состояния данных почв. Для трех из пяти исследованных типов среднесмытых почв зонального ряда наблюдалось примерное равенство скорости смыва и скорости формирования гумусового горизонта, для двух других типов отмечено превышение скорости смыва над скоростью гумусообразования.

Практическая значимость. Для практического использования разработан способ определения степени выпаханности почв по соотношению лабильных и стабильных частей органического вещества почв, позволяющий использовать показатели степени выпаханности проектными организациями в работах при оценке уровней плодородия почв и выработке первоочередных мероприятий для повышения плодородия.

Результаты исследований использовались при выполнении работ по грантам РФФИ № «Разработка метода определения экологических нормативов допустимой эрозии почв (на примере южно-таежных и лесостепных районов европейской территории России)» и «Легкоразлагаемое органическое вещество почв (концептуальная модель формирования и функционирования в почвах зонального ряда)», по Государственному контракту с МСХ РФ на выполнение методических разработок для нужд агропромышленного комплекса по теме: «Разработать методические рекомендации по диагностике степени выпаханности основных зональных типов почв европейской части России», по Государственному контракту с МСХ РФ на выполнение научно-исследовательских работ по теме: «Проведение научных исследований и разработка новых технологий оптимизации физических свойств сильновыпаханных дерново-подзолистых и черноземных почв Российской Федерации».

Теоретические положения диссертации используются в курсах лекций по почвоведению в Российском государственном аграрном университете – МСХА имени , Воронежском ГАУ имени , Нижегородском ГАУ. Методика определения содержания и состава ЛОВ в почвах, а также методика расчета степени выпаханности почв опубликованы в учебном пособии для студентов агрономических специальностей – , , Р. Ф.  Байбеков «Практикум по почвоведению», М. «Агроконсалт», 2002.

Апробация работы. Результаты научных исследований были представлены на Международных, Всероссийских, региональных и вузовских конференциях (1986–2008), в том числе на VIII Всесоюзном съезде почвоведов (Новосибирск, 1989), III съезде Докучаевского общества почвоведов РАН (Суздаль, 2000), IV съезде Докучаевского общества почвоведов РАН (Новосибирск, 2004), V съезде Докучаевского общества почвоведов РАН (Ростов, 2008).

Публикации. По результатам исследований опубликовано 48 научных работ, в том числе 10 работ в рекомендованных ВАКом изданиях, монография «Гумусообразование и агрономическая оценка органического вещества почв», получено авторское свидетельство СССР № 000 «Способ определения содержания элементов питания в легкоразлагаемых органических веществах почв».

В работе использованы материалы, полученные автором совместно с аспирантами и .

Автор глубоко признателен своим коллегам – заведующему кафедрой почвоведения РГАУ-МСХА имени , профессору, академику РАСХН и всему коллективу кафедры за ценные советы и поддержку при выполнении работы. Особенно благодарен автор профессору за оказанную консультативную помощь.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, выводов, изложена на 290 стр. машинописного текста, включает 46 таблиц, 19 рисунков и список литературы из 430 наименований.

1. Современные представления о составе и свойствах органического вещества почв

Изучение гумусовых веществ было начато задолго до того, как почвоведение сформировалось в качестве научной дисциплины. Появление работ послужило началом для исследования гумуса с позиций генетического почвоведения. Изучению органического вещества почвы посвящены работы многих отечественных и зарубежных ученых – , , , С. Ваксмана, М. Шнитцера, В. Фляйга, Ф. Дюшофура, Р. Тейта и других. К настоящему времени накоплен огромный фактический материал, характеризующий состав и свойства органического вещества почвы, его роль в плодородии, однако, многие аспекты проблемы органического вещества почв требуют дальнейшего развития и углубления.

В последние годы многие исследователи при оценке качественного состава органического вещества почв предлагают обращать внимание не только на фракционно-групповой состав гумуса, определенный на основе метода и его модификаций, но и на соотношение в органическом веществе группы устойчивых (консервативных) веществ и группы лабильных соединений (Р. Тейт III, 1991; , 1993; , , 1993, , 2000). Как показывают исследования ряда авторов (, 1963; , 1980; , 1987; , 1989; , 1999), групповой и фракционный состав гумуса довольно устойчив и изменяется только при резком изменении условий гумусообразования. Это позволило сделать вывод о том, что групповой и фракционный состав гумуса, в основном, характеризует генетические свойства почв и в значительно меньшей степени агрономические.

Группа консервативных соединений объединяет те компоненты ор­ганического вещества почвы, которые определяют типовые показатели почв, формирующиеся в течение длительного времени и сохраняющиеся в вековых циклах. Прежде всего, это зрелые гумусовые кислоты почвы, гуматы кальция, другие органо-минеральные вещества, гиматомелановые кислоты, гумин. Они существуют в почвах сотни и тысячи лет, медленно минерализуются и обусловливают устойчивые свойства почвы, присущие ей типовые признаки. С содержанием, составом и свойствами этих веществ связаны окраска почв, тепловой режим, водно-физические характеристики, емкость поглощения, буферность почв, потенциальные запасы элементов питания. Все эти вещества лишь в очень малой степени непосредственно участвуют в питании растений, но создают для них благоприятную среду (, , 1993).

Положительная агрономическая роль консервативных компонентов почвенного гумуса наиболее отчетливо проявляется в экстремальных си­туациях: в засушливые периоды, при избыточном увлажнении и химическом загрязнении почв, малогумусированные почвы всегда менее эрозионноустойчивы.

Группа лабильных органических веществ включает неразложившиеся органические остатки растительного и животного происхождения, детрит, низко - и среднемолекулярные углеводы, аминокислоты, пептиды и другие неспецифические соединения, новообразованные гуминовые и фульвокислоты, непрочно связанные с минеральной частью почвы.

Скорость обновления лабильных (легкоразлагаемых) органических веществ в почвах измеряется годами и десятками лет.

Поскольку легкоразлагаемое органическое вещество является наиболее динамичной составляющей органического вещества почв, оно принимает существенное участие во многих функциях почв и биосферы: питании растений и почвенных животных; биологической активности почв; фиксации атмосферного азота; регулировании состава почвенного и атмосферного воздуха; формировании почвенной структуры и физических свойств; сорбции и накоплении тяжелых металлов и радионуклидов и других загрязняющих веществ. Можно предполагать, что в разных типах почв функции ЛОВ могут иметь существенные различия, связанные с различной скоростью трансформации ЛОВ.

Содержание легкоразлагаемого органического вещества в пахотном слое почв колеблется в довольно широких пределах – от 0,1% до 1,5–2% от массы почвы (, , 1997; , 1997; , 1999). Причем для пахотных почв количество его практически не зависит от генетического типа почвы, а опре­деляется характером использования пашни. Здесь имеет значение уровень агротехники, особенности возделываемых культур, система применения удобрений, в первую очередь органических.

Содержание легкоразлагаемого органического вещества в почвах характеризуется отчетливо выраженной сезонной динамикой, связанной с процессами его разложения, наиболее проявляющимися в первой половине вегетации и с процессами накопления корневой массы растений. При возделывании пропашных культур, имеющих невысокое поступление корневых остатков, наблюдается снижение содержания ЛОВ в течении вегетационного периода. Наиболее существенное снижение содержания ЛОВ за вегетационный период наблюдается под чистым паром.

Легкоразлагаемое органическое вещество почв является важным ис­точником питательных веществ для растений.

Важнейшей характеристикой легкоразлагаемого органического вещества является содержание в нем азота, а также величина отношения С : N, влияющая на скорость разложения ЛОВ. По нашим данным, основная часть почвенного азота поступает именно из легкоразлагаемого органического вещества, это подтверждается высокой степенью корреляционной связи урожая с содержанием ЛОВ в условиях специальных опытов. Сопоставление урожаев с содержанием ЛОВ и с возможным высвобождением азота позволило сделать заключение о том, что оптимальные значения содержания углерода ЛОВ для зерновых культур находятся в пределах 0,2–0,4% от массы почвы или 6–12 т/га в пахотном слое. При таком содержании ЛОВ с отношением С : N менее 25 урожай зерновых не лимитируется почвенным азотом. В случае, если в составе ЛОВ отношение С : N более 25, необходимо вносить азот в виде минеральных удобрений для оптимизации этого отношения, так же как и при внесении соломы зерновых.

Наши исследования показали, что содержание азота в составе ЛОВ варьирует от 2,4% до 3,9%, а отношение С : N от 12,8 до 20,9. В составе ЛОВ может содержаться 0,4–1,0% фосфора, 0,5–1,2% калия, а также значительные количества микроэлементов. При этом ежегодное высвобождение элементов из ЛОВ сопоставимо с выносом их урожаем (, 1998).

Биохимический состав сухого вещества легкоразлагаемых органических веществ очень разнообразен. В составе ЛОВ имеются лигнин – 15–25%, целлюлоза – 5–10%, сахара – до 5%, протеин – до 5%, крахмал – в пределах 1%.

2. Объекты и методы исследований

Объектами исследований при выполнении данной работы являлись почвы зонального ряда европейской части России, наиболее широко используемые в сельскохозяйственном производстве – дерново-подзолистые почвы южно-таежной подзоны (Ивановская и Московская области), светло-серые, серые и темно-серые лесные почвы лесостепной зоны (Московская область), черноземы оподзоленные, выщелоченные и типичные лесостепной зоны (Рязанская, Тамбовская и Воронежская области), черноземы обыкновенные и южные степной зоны (Волгоградская область), каштановые и светло-каштановые почвы сухостепной зоны (Волгоградская область). Изучалось состояние легкоразлагаемого органического вещества как пахотных, так и целинных (залежных) почв представленного ряда.

На каждой почвенной разности образцы отбирались из основного разреза по генетическим горизонтам, кроме того, образцы отбирались из гумусовых горизонтов (на целинных почвах) или из пахотных горизонтов (на освоенных почвах) из 10 точек в пределах площадок размером 50×50 м.

Лабораторные анализы почв выполнялись по общепринятым методикам, содержание легкоразлагаемого органического вещества и элементов питания растений в его составе определяли по предложенной нами методике отделения ЛОВ от минеральной части почвы и стабильных гумусовых веществ с помощью тяжелой жидкости плотностью 1,8 г/см3 (концентрированный раствор иодида натрия), а для более тонкого препаративного отделения проводили повторную флотацию в тяжелой жидкости с плотностью 1,6 г/см3 (, , 1989).

Об интенсивности преобразования органического вещества можно судить по величине подстилочно-опадного коэффициента (ПОК), или коэффициента разложения Кд — отношение массы подстилки к массе зеленой части опада. ПОК или Кд отражает предельную величину накопления подстилки из единицы источников за год в почвах, достигших квазиравновесного состояния (, 1997). Время практически полного обновления (Т0,96), т. е. обновления на 96% рассчитывали по формуле:

N0 n

 

Т0,96 = 3

где N0 — запасы лесной подстилки или внутрипочвенного ЛОВ (т/га);

n — скорость обновления (т/га в год).

За n принимали количество годового опада, поскольку в биогеоценозах, достигших квазиравновесного состояния количество разлагающихся органических веществ, примерно, равно количеству поступающего опада. Такими статьями расхода органических веществ, как вынос в нижележащие горизонты и закрепление в форме гумуса можно пренебречь, так как их доля в общем балансе потерь относительно невелика.

По результатам определений проводилась математическая обработка, дисперсионный и корреляционный анализы выполнялись с помощью программного комплекса STRAZ.

3. Состояние легкоразлагаемого органического вещества почв зонального ряда и географические закономерности его формирования и функционирования

3.1 Легкоразлагаемое органическое вещество лесных подстилок

Легкоразлагаемое органическое вещество (ЛОВ) можно подразделить на внутрипочвенное и напочвенное. Типичным примером напочвенного ЛОВ являются лесные подстилки и степной войлок. Их состав и географические закономерности накопления изучены наиболее полно (, , и др.).

Формирование лесных подстилок происходит под воздействием следующих основных факторов: гидротермические условия (зональные), степень гидроморфизма (внутризональные), количество и состав опада (обогащённость азотом и основаниями, биохимический состав), наличие оснований в почвенно-грунтовых водах и почвообразующих породах, реакция среды.

В пределах однотипных фитоценозов в автоморфных почвах запасы подстилки снижаются с севера на юг от 30–40 т/га в средней тайге до 10–20 т/га в южной при практически полном отсутствии в лесостепной зоне. По мере нарастания гидроморфности запасы подстилки возрастают во всех зонах в 2–3 раза. Как правило, таким же образом изменяются и мощности подстилок, которые имеют максимальные значения 10–12 см и в более теплых условиях лесостепной зоны снижаются до полного отсутствия.

Результаты расчетов времени практически полного обновления лесных подстилок в разных природных зонах представлены в табл. 1. Время практически полного обновления лесных подстилок довольно хорошо согласуется с условиями их формирования и закономерно снижается с севера на юг от 58,6 лет в тундре до 1–1,2 лет в лесостепной зоне. Эти показатели на порядок ниже показателей полученных методом радиоуглеродного датирования (, , 1990).

Таблица 1.

Масса подстилки, опада и время практически полного обновления лесных подстилок (степного войлока) в разных природных зонах

Объект	Почва	Масса, т/га	Т0,96, лет	Источник
опада	подстилки
Тундра кустарничково-осоково-моховая	Тундровая глеевая типичная	0,33	6,45	58,6	Богатырев, 1974
Тундра кустарничково-моховая	Болотно-тундровая	1,13	11,46	30,4	— »—
Средняя тайга сосново-еловый черничного типа	Подзолистая	3,15	40,11	38,2	Ганжара, Смоленцева, 1978
Сосняк-брусничник	Слабо-подзолистая	2,30	34,53	45,0	Гришина, 1986
Ельник кисличник	Дерново-скрыто-подзолистая	6,40	17,70	8,3	— » —
Сосняк бруснично-черничный	Подзолистая, песчаная	3,3	17,5	15,9	Вайчис, 1972
Ельник кисличник	Бурая лесная	4,5	8,5	5,7	— »—
Дубрава с разнотравьем	Бурая лесная	4,1	6,65	4,9	— »—
Березняк	Бурая лесная	5,0	3,3	2,0	—»—
Дубрава с травами	Бурая лесная	5,8	6,7	3,5	—»—
Сосна с ярусом липы	Дерново-подзолистая	3,9	6,9	5,3	Ганжара, 1989
Лесостепь разнотравно-типчаково-костровая	Черноземно-луговая	3,9	3,0	2,3	Самойлова, 1982
Лесостепь Ковыльно-костровая	Чернозем типичный	3,5	1,2	1,0	Родин, Базилевич, 1965

Радиоуглеродный возраст подстилок измеряется первыми сотнями лет (следует отметить, что радиоуглеродным методом определяли возраст гумусовых веществ в составе подстилок). Сложнее обстоит вопрос с определением скорости обновления детрита в грубогумусовых горизонтах подзолистых почв и гумусово-элювиальных горизонтах дерново-подзолистых почв. По нашим данным содержание ЛОВ (детрита) в 3–15 см слое этих почв составляет 5–10 т/га и подвергается существенным сезонным колебаниям, достигающим 30% от общего содержания в течение теплого сезона, что позволяет предполагать примерно такую же скорость их обновления, как и у лесных подстилок.