Агрофизические свойства, гидрологический режим и диагностика черноземовидных почв севера Тамбовской низменности
Автор Степанцова Людмила Валентиновна, 26.12.2011
| Страницы: 1 2 3 |
Степанцова Людмила Валентиновна
АГРОФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА, ГИДРОЛОГИЧЕСКИЙ РЕЖИМ И ДИАГНОСТИКА ЧЕРНОЗЕМОВИДНЫХ ПОЧВ СЕВЕРА ТАМБОВСКОЙ
НИЗМЕННОСТИ
Специальность – 06.01.03 – агрофизика
диссертации на соискание ученой степени
доктора биологических наук
Москва - 2012
Работа выполнена на кафедре физики и мелиорации почв факультета почвоведния Московского государственного университета им. М.В.Ломоносова и на кафедре агрохимии и почвоведения агрономического факультета Мичуринского государственого аграрного университета. Научный консультант: доктор сельскохозяйственных наук, профессор
Феликс Рувимович Зайдельман Официальные оппоненты: доктор биологических наук, профессор
Глазунов Геннадий Павлович
доктор биологических наук, профессор
Кирюшин Валерий Иванович
доктор сельскохозяйственных наук
Скворцова Елена Борисовна Ведущее учреждение: Ставропольский государственный аграрный университет Защита диссертации состоится « 28 » февраля 2011 г. в 15 ч. 30 мин. в аудитории М-2 на заседании Диссертационного Совета Д 501.002.13 при МГУ им. М.В. Ломоносова по адресу: 119991, ГСП-1, Москва, Ленинские горы, МГУ им. Ломоносова, корпус 1, стр.12, факультет почвоведения, тел/факс +7(495)9392947 С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке биологического и почвенного фкультетов МГУ им. М.В. Ломоносова. Автореферат разослан «_______»___________________2011 г. Приглашаем Вас принять участие в обсуждении диссертации на заседании диссертционного совета. Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью оганизации, просьба направлять по вышеуказанному адресу. Ученый секретарь диссертационного совета Д 501.002.13 доктор биологических наук, профессор Г.М. Зенова
Актуальность темы. Несмотря на широкое распространение, гидроморфные почвы черноземного ряда в настоящее время остаются одними из слабоизученных почв Европейской России. В последние десятилетия появился ряд работ, посвященных увеличению площадей заболоченных участков в лесостепной и степной зонах и ухушению свойств черноземов под влиянием этого явления (Калиниченко и др., 1997; Хитров, Назаренко, 2000; Воробьева и др., 2002 и др.). В Тамбовской области проблма переувлажнения освещена в печати (Зайдельман и др., 2002, 2007,2008), но из-за отсутствия рекомендаций по их мелиорации и использованию, эти почвы выводятся из севооборотов и зарастают гигрофильной растительностью.
В литературе отсутствуют сведения об особенностях агрофизических свойств и водного режима гидроморфных почв черноземного ряда северной лесостепи и продутивности сельскохозяйственных культур на этих почвах в годы различной обеспечености осадков. Крайне ограничены сведения об их макроструктуре, и, в частности, конкреционных новообразованиях и их диагностическом значении. Не исследовано влияние поверхностного и грунтового увлажнения на физические и химические своства, фракционный состав фосфора и динамику его соединений.
В диссертации представлены новые сведения о морфологии, генезисе, свойствах переувлажненных черноземовидных почвах севера Тамбовской равнины, урожайности сельскохозяйственных культур в годы различной влажности, рассмотрены вопросы диагностики, предложены количественные критерии оценки их агроэкологического состояния.
Цель исследований: Изучить агрофизические свойства, исследовать особенности основных элементов гидрологического режима черноземовидных почв севера Тамбоской равнины, обосновать рациональное использование этих почв в естественном сстоянии, разработать систему их морфологической и аналитической диагностики, кличественно оценить степень их переувлажнения, заболачивания и целесообразность применения мелиорации.
Задачи исследований:
1. Изучить влияние поверхностного и грунтового заболачивания на агрофизичские свойства морфологические и химические особенности черноземовидных почв свера Тамбовской равнины;
2. Изучить основные элементы водного режима чернозема выщелоченного и ченоземовидных почв различной степени гидроморфизма и оподзоленности при поверностном и грунтовом переувлажнении и заболачивании в многолетнем цикле, оценить урожайность районированных культур в годы различной обеспеченности осадков;
3. Обосновать рекомендации по рациональному использованию этих почв в естственном состоянии и оценить целесообразность их мелиорации в годы различной влажности;
4. Исследовать влияние поверхностного и грунтового заболачивания на диффренциацию профиля, содержание различных форм железа и состав органического вщества черноземовидных почв;
5. Раскрыть влияние поверхностного и грунтового заболачивания на фракционый состав соединений фосфора, распределение фракций по профилю и динамику сдержания его подвижных форм в черноземовидных почвах;
6. Изучить морфологические особенности и химический состав карбонатных и железо-марганцевых конкреций черноземовидных почв, оценить их диагностическое значение;
7. Разработать систему диагностики черноземовидных почв поверхностного и грунтового заболачивания севера Тамбовской равнины по макроморфологическим и мезоморфологическим (увеличение в 2-50 раз) особенностям в агроэкологических, арономических и мелиоративных целях. Разработать количественный показатель степни заболоченности черноземовидных почв, сравнить его с критерием Швертманна и коэффициентом заболоченности почв по методу Зайдельмана и Оглезнева.
Научная новизна исследований. Впервые для северной лесостепи рассмотрены в многолетнем цикле агрофизические особенности, водный режим и продуктивность обрабатываемых черноземов и черноземовидных почв поверхностного и грунтового заболачивания при их различном с.-х. использовании. Получены новые данные о мофологических, химических и физических особенностях черноземовидных оглеенных почв. Установлено влияние оглеения при поверхностном и грунтовом увлажнении на дифференциацию их профиля, содержание различных форм соединений железа и кчественный состав органического вещества.
Изучены макри мезоморфологические особенности и химический состав кабонатных и железо-марганцевых конкреций. Выявлено их диагностическое значение для оценки гидрологического режима и агроэкологического состояния чернозема вщелоченного и черноземовидных почв.
Для выявления причин резкого дефицита фосфора в переувлажненных чернозмовидных почвах был изучен фракционный состав и динамика содержания подвижных соединений фосфора в годы разной влажности на черноземе выщелоченном и чернземовидных почвах лесостепи. Выявлено влияние водного режима, состава обменных оснований, качественного состава органического вещества и активности железа на фракционный состав фосфора, динамику его подвижных соединений, способность нкапливаться в Fe-Mn конкрециях.
Практическая значимость работы.
1. Предложены системы мероприятий по рациональному сельскохозяйственному использованию черноземовидных почв поверхностного и грунтового увлажнения в етественном состоянии и обоснована целесообразность применения мелиоративных мроприятий на основе оценки их эколого-экономического состояния.
2. На основе морфологических и эколого-гидрологических многолетних исследваний чернозема выщелоченного и черноземовидных почв разной степени оглеения севера Тамбовской низменности рекомендована для использования в почвеннкартографической, агрономической и мелиоративной практике новая методика их кличественной полевой диагностики. Предложен новый количественный показатель - критерий переувлажнения черноземовидных почв (KI-II) по соотношению оптических плотностей различных вытяжек из гумусовых горизонтов. Разработаны его градации для черноземовидных почв поверхностного и грунтового увлажнения и заболачивания.
3. Показана необходимость дробного внесения фосфорных удобрений на чернземовидных оподзоленных и черноземовидных подзолистых глееватых почвах.
Апробация работы. Результаты работы были доложены на кафедре физики и млиорации почв факультета почвоведения МГУ им. М.В.Ломоносова и кафедре агрохмии и почвоведения МичГАУ (Мичуринского государственного аграрного универстета), на научных и научно-практических конференциях в Мичуринском государсвенном аграрном университете (2004, 2007, 2009), в Воронежском государственном университете (2001, 2004, 2007), в Пензенской государственной сельскохозяйственной академии (2001, 2004, 2005, 2006), в МГУ им. М.В. Ломоносова (2002, 2003, 2006), в Санкт-Петербургском государственном университете (2007, 2008), на конференции по проблемам переувлажнения черноземов юга России в Почвенном институте им. В.В. Докучаева (2009), в Институте физико-химических и биологических проблем почвовдения РАН (2005, 2010), на IV и V съездах Докучаевского общества почвоведов (2004, 2008). Предложенная система полевой диагностики и количественный критерий перувлажнения черноземовидных почв были апробированы при почвенном обследовании 1000га пашни для закладки интенсивного сада в Первомайском районе Тамбовской области.
Автор сердечно благодарит своих учителей профессора Ф.Р. Зайдельмана и прфессора А.С. Никифорову за ценные советы и помощь в работе, зав. кафедрой професора Е.В. Шеина и всех сотрудников кафедры физики и мелиорации почв МГУ им. М.В. Ломоносова за поддержку и замечания. Особую признательность автор выражает старшим преподавателям С.Б. Сафронову и В.Н. Красину за помощь в полевых и лабраторных исследованиях.
Публикации результатов исследований. Основные положения диссертации опубликованы в 81 печатной работе, в том числе 17 в журналах, рекомендованных ВАК.
1. Широко распространенные, наряду с черноземом выщелоченным, черноземвидные почвы поверхностного и грунтового увлажнения и заболачивания определяют агроэкологические особенности сельскохозяйственных территорий северной лесостепи Тамбовской равнины.
2. Черноземовидные почвы поверхностного увлажнения и заболачивания отличются от окружающих их черноземов повышенной плотностью и ухудшенным струтурным состоянием, пониженной межагрегатной пористостью и размерами внутриарегатных пор, сильно пониженной водопроницаемостью. Черноземовидные почвы зболоченные грунтовыми гидрокарбонатно-кальциевыми водами сохраняют оптималные для растений значения плотности, высокую межагрегатную и внутриагрегатную пористость и высокие коэффициенты фильтрации.
3. Основной отличительной особенностью водного режима черноземовидных почв поверхностного увлажнения и заболачивания является формирование в их прфиле в средние и влажные по зимним осадкам годы верховодки, которая отсутствует в профиле окружающих их черноземов выщелоченных вне зависимости от влажности года. В условиях кратковременного застоя влаги и падения ОВП образуются чернозмовидные почвы со светлыми кислыми элювиальными горизонтами. В их профиле пявляются новообразования, связанные с оглеением, которых нет в черноземе выщелченном – марганцевые вкрапления, кутаны, «скелетаны», Mn-Fe ортштейны. Урожаность зерновых, особенно яровых культур, на этих почвах существенно ниже, чем на черноземах и зависит от обеспеченности зимних осадков.
4. На низких надпойменных террасах в условиях постоянного капиллярного улажнения гидрокарбонатно-кальциевыми грунтовыми водами и глубокого весеннего падения ОВП формируются черноземовидные почвы, в профиле которых отсутствуют морфологически выраженные признаки оподзоливания. В их профиле проявляется олеение и имеет место окарбоначивание нижней части профиля. От черноземовидных почв водораздела они отличаются одновременным присутствием Mn-Fe и карбонатных конкреций. Оптимальные для растений агрофизические свойства и гидрологический режим позволяют получать высокие урожаи озимых зерновых и многолетних трав.
5. Заболоченные атмосферными водами черноземовидные почвы в отличии от выщелоченного чернозема характеризуются элювиальной дифференциацией профиля по илу и полуторным окислам, кислой реакцией, бедностью подвижными формами фосфора. При грунтовом заболачивании дифференциация профиля черноземовидных почв по илу и полуторным окислам выражена слабо.
6. Поверхностное и грунтовое заболачивание почв черноземного ряда изменяет по сравнению с черноземом выщелоченным соотношение фракций органического и мнерального фосфора и его подвижность. В черноземовидных оподзоленных почвах для фосфатов кальция уменьшается, фосфаты железа в условиях свободного оттока чатично вымываются из почвенного профиля, частично сорбируются органическим вществом. В условиях замкнутых депрессий фосфаты железа концентрируются в мелкземе и ортштейнах. При грунтовом заболачивании доля органического фосфора уменьшается, среди минеральных фосфатов резко преобладают фосфаты кальция. Только в период застоя влаги (более 1месяца) фосфаты железа приобретают подвиность.
7. Морфологические и химические особенности конкреций отражают особеннсти гидрологического режима черноземовидных почв. При небольшом дополнителном поверхностном увлажнении наблюдается дифференциация на ядро и оболочку карбонатных конкреций, при грунтовом – верхняя граница появления этих новообрзований фиксирует наиболее часто встречающийся уровень грунтовых вод. Ортштены указывают на контрастный застойно-промывной водный режим, они формируются только в почвах замкнутых депрессий. Агроэкологическое состояние черноземовиных почв можно оценить по отношению Fe/Mn, извлекаемых 1n серной кислотой (кэффициент заболоченности по Зайдельману и Оглезневу). «Органический» фосфор в конкрециях накапливается только при поверхностном заболачивании. Высокое содежание «активного» минерального фосфора и «аморфного» железа наблюдается в повах с современным застойно-промывным водным режимом. В реликтовых новообразваниях преобладают «прочносвязанный» фосфор и «окристаллизованное» железо.
8. Заболачивание поверхностными и грунтовыми водами ведет к качественному изменению состава органического вещества черноземовидных почв. На основе завсимости состава органического вещества от степени гидроморфизма и продуктивности сельскохозяйственных культур в годы различной обеспеченности осадков был преложен новый количественный критерий диагностики агроэкологического состояния почв.
1. Состояние проблемы. В последние десятилетия ХХ века проблема роста плщадей переувлажненных почв в черноземной зоне привлекла внимание ученых. В лсостепной и степной зонах глобальное изменение климата сопровождается увеличенем среднегодового количества осадков (Николаева и др., 2001). Среди антропогенных причин можно выделить переуплотнение почвы, нарушение естественного стока дрожными насыпями и сокращение площадей под многолетними травами. Многочиленные работы последних лет наглядно свидетельствуют о крайне негативном влиянии переувлажнения на свойства черноземов, быстрой деградации их в мочары под влинием этого опасного явления (Ачканов и др., 1997, 1999; Зайдельман и др., 1992, 1993, 1998, Луковская, 1979; Минкин и др., 1982; Полупан и др., 1983; Сувак, 1986).
Было высказано предложение считать переувлажненные почвы черноземной зоны специфическим типом деградированных черноземов (Черниченко, 1996). С.А. Никлаева и А.М. Еремина (2005) указывают, что при изменении ОВ обстановки чернозеные почвы переходят в качественно новое состояние, утрачивают характерные для них свойства, приобретают новые, что, несомненно, требует выделения переувлажненных почв на типовом уровне.
2.Объекты исследований. Нами исследованы почвы трех катен, сочетание гирологических и геоморфологических условий которых наиболее типично для рассмариваемой территории (рис.1). Первая и вторая катены на водоразделе рек Иловай и Лесной Воронеж находятся на землепользовании учхоза «Комсомолец» Мичуринскго района Тамбовской области. Первая катена расположена в пределах открытой дпрессии. Почвенный покров образован черноземом выщелоченным (фон) почвенного покрова; черноземовидной оподзоленной слабооглееенной (средняя часть склона) и черноземовидной оподзоленной глееватой (дно лощины) почвами. Вторая катена прурочена к замкнутой западине диаметром 100м. Исследуемый ряд образуют почвы: черноземовидная выщелоченная (верхняя часть склона), черноземовидная оподзоленая (середина склона) и черноземовидная подзолистая глееватая (дно западины). Повообразующая порода - покровный желто-бурый карбонатный суглинок. Дополнтельное увлажнение обусловлено намывными склоновыми пресными водами с минрализацией менее 0,2г/л.
Третья катена приурочена к первой надпойменной террасе реки Лесной Ворнеж на территории землепользования учхоза «Роща» Мичуринского района Тамбоской области. Исследуемый ряд почв представлен: черноземовидной слабооглеенной на выровненном участке, черноземовидной глееватой на склоне и черноземовидной глеевой на дне западины. Почвообразующая порода – легкоглинистые карбонатные аллювиальные наносы. Увлажнение обусловлено жесткими гидрокарбонатнкальциевыми грунтовыми водами с минерализацией 1,4-1,8 г/л и нейтральной реакцей. Ф.Р. Зайдельман (2007) впервые предложил согласно субстантивно-генетическим принципам «Классификации почв России» (2004) называть почвы Европейской части России, несущие одновременно яркие черты черноземов и признаки оглеения «чернземовидными». Это название мы используем в данной работе.
3. Методы исследований. Работа выполнена на базе кафедры агрохимии и почвоведения МичГАУ, Испытательной лаборатории (№ РОСС RU.0001.21ПЛ91) и кафедры физики и мелиорации почв МГУ им. М.В. Ломоносова с 1998 по 2009гг.
При выполнении исследований использовали следующие методы: 1. гранулметрический состав почвы - по Долгову и Личмановой; 2. плотность твердой фазы - пикнометрически; 3. плотность почвы - цилиндрами объемом 300 и 100см3; 4. агреганый анализ - по Саввинову; 5. внутриагрегатная пористость – парафинированием; 6. межагрегатная – расчетом; 7. гигроскопическая влажность - термостатно-весовым; 8. максимальная гигроскопическая влажность и наименьшая влагоемкость - по Николаву; 9.влажность устойчивого завядания - методом вегетационных миниатюр; 10. изчение режима влажности - термостатно-весовым методом, пробы на влажность отбрали подекадно с интервалом 10см на глубину 1м или до уровня воды; 11. определение ОВП выполняли на приборе «Экотест-2000» в те же сроки, что и определение полевой влажности; 12. коэффициент фильтрации - при залегании грунтовых вод более 2,5м– методом заливки площадок по Качинскому; 13. менее 2,5м – по скорости установления воды в скважине по Донату-Эркину; 14. валовое содержание элементов - сплавлением почвы с карбонатом натрия и последующим определением элементов аналитическими методами: фосфор, железо, марганец, титан – фотометрически; окись кремния – грвиметрическим желатиновым методом; алюминий, кальций, магний и сера – комплесонометрически; сумму Na2О и К2О – расчетным способом; 15. фракционный состав гумуса - по Тюрину в модификации Пономаревой-Плотниковой; 16. актуальную и оменную кислотность – потенциометрически, 17. гидролитическую - по Каппену, 18. обменные основания вытесняли NH4Cl; 19. «аморфное» железо - по Тамму, 20. сумарное «несиликатное» железо - по Меру-Джексону, 21. «органическое» железо – по Баскомбу; 22. минеральный «активный» фракционный фосфор - по ГинзбурЛебедевой, 23. «органический» фосфор и «прочносвязанные» фракции минерального фосфора - по Чангу-Джексону в модификации Аскинази и Гинзбург; 24.обменный клий и подвижный фосфор - по Чирикову; 25. щелочногидролизуемый азот - по Корфилду в модификации ЦИНАО; 26. динамику содержания подвижных форм фосфора - по Чирикову и Ониани; 27; динамику содержания подвижного железа - по Казаринвой-Окиной в модификации Коптевой; 28. эколого-экономический расчет целесооразности осушения - по Зайдельману. Все определения проводились в 6-кратной - для гумусовых и в 4-кратной повторности для остальных генетических горизонтов.
29. Ортштейны отбирали из воздушно-сухих образцов почвы массой 1 кг и отмвали на сите 0,5 мм; для анализа валового состава ортштейнов разложение проводили смесью серной и хлорной кислот с последующим определением элементов аналитичскими методами; 30. железо и марганец в ортштейнах определяли - по Тамму и МерДжексону; 31. коэффициент заболоченности - по Зайдельману и Оглезневу; 32. минральный «активный» фракционный фосфор - по Гинзбург-Лебедевой, 33. «органичский» фосфор и глубокие фракции минерального фосфора - по Чангу-Джексону в мдификации Аскинази и Гинзбург. Валовое определение содержания химических элментов и фракционный состав фосфора проводили в 4-кратной повторности, осталные определения в ортштейнах - в 8-кратной. Статистическая обработка проводилась по Б.А. Доспехову (1979). На рисунках представлены средние значения. Различия средних значений достоверны на уровне 95%.
4. Физические свойства.
4.1. Гранулометрический состав. Почвы водораздела сформировались на тжелом покровном суглинке иловато-крупнопылеватом. Гранулометрический состав черноземовидных оподзоленных почв открытой лощины по сравнению с черноземом выщелоченным более тяжелый. Максимальное содержание ила - в уплотненных пхотных горизонтах и нижних - оглеенных. Черноземовидные подзолистые почвы зпадин отличаются от окружающих их черноземов резкой дифференциацией профиля (рис.2). Верхние горизонты средний суглинок, а нижние – тяжелый. Резкое уменьшние илистой фракции обусловлено оглеением в условиях застойно-промывного воднго режима. Дифференциация профиля черноземовидных почв грунтового увлажнения и заболачивания связана с исходной литологической неоднородностью аллювия и глееобразованием. Длительный застой влаги ведет к увеличению содержания ила в глееватых и глеевых горизонтах этих почв.
ных агрегатов верхних и нижних горизонтов почвы (табл.1). Значительно увеличивают водопронцаемость нижних горизонтов характерные для этих почв гумусовые языки, пронкающие на глубину более 2,5м. Они могут иметь как биогенное («кротовины»), так физическое происхождение (за счет усадки образуются глубокие клиновидные трщины, заполненные гумусированным материалом).
Свойства более гидроморфных почв водораздела резко ухудшается. В чернозмовидных оподзоленных и подзолистых оглеенных и глееватых почвах при сохраннии высокой внутриагрегатной пористости из-за уплотнения существенно снижается межагрегатная. Максимальное уменьшение внутриагрегатной порозности характерно для пахотного слоя. Внутри уплотненных призматических агрегатов пахотного горзонта мезопоры отсутствуют, ажурно-сетчатый тип порового пространства сменяется на решетчато-линейный. Оглеение и уплотнение нижних горизонтов ведет к уменшению общей пористости и пористости аэрации. Это способствует резкому снижнию коэффициента фильтрации по сравнению с черноземом выщелоченным и чернземовидной выщелоченной почвой. Нижние горизонты этих почв становятся водупорными. Резкое уменьшение водопроницаемости в целом ведет к изменению воного режима черноземовидных почв депрессий водоразделов и определяет длителный застой влаги в их профиле.
В отличие от черноземовидных почв поверхностного увлажнения в черноземвидных почвах грунтового увлажнения агрофизические свойства гумусовых горизотов благоприятные для сельскохозяйственных культур. Межагрегатная порозность с нарастанием степени гидроморфизма возрастает, так как возрастают размеры зернстых агрегатов. Среди внутриагрегатных пор преобладают мезопоры. Это определяет высокие коэффициенты фильтрации (табл.1). Застой влаги в поверхностных горизотах обусловлен смыканием капиллярной каймы с поверхностными водами.
4.3. Структура. Структурное состояние черноземовидных почв открытой дпрессии значительно хуже, чем у чернозема выщелоченного: уменьшается коэффицент структурности и количество зернистых водопрочных агрегатов. Эти изменения охватывают всю гумусовую толщу. Основной причиной является вынос карбонатов и снижение в составе органического вещества гуматов кальция. В условиях замкнутой депрессии деградация структуры идет значительно дальше. В результате концентрции полуторных окислов в ортштейнах, разрушаются почти все почвенные коллоиды, агрегаты утрачивают водопрочность. Структурное состояние всех черноземовидных почв грунтового увлажнения и заболачивания характеризуется значительным количством водопрочных зернистых агрегатов размером 1-5мм (табл.1).
5. Водный режим и продуктивность сельскохозяйственных культур. Оновные элементы водного режима изучались с 1998 по 2007гг, количество и обеспченность осадков приведены в таблице 2.
Водный режим выщелоченного чернозема характеризуется тем, что в его прфиле вне зависимости от влажности года никогда не формируется верховодка, и весь вегетационный период господствуют окислительные условия. Летом происходит исушение поверхностных горизонтов до влажности равной ВЗ-ВРК. Глубокое просхание до влажности равной ВЗ наблюдалось только в 1998 и в 2007 годах (рис.3). В условиях севера Тамбовской низменности на этих почвах получают стабильные уржаи зерновых до 45-55ц/га, и только резкий дефицит влаги в 2007году привел к снжению урожайности озимой пшеницы до 39 ц/га (рис.6, табл.3).
| Страницы: 1 2 3 |