Изменение свойств дерново-подзолистой почвы в постагрогенный период

СВОЙСТВА ПОЧВ И ИХ ПЛОДОРОДИЕ

УДК 631.82

ИЗМЕНЕНИЕ СВОЙСТВ ДЕРНОВО-ПОДЗОЛИСТОЙ ПОЧВЫ В ПОСТАГРОГЕННЫЙ ПЕРИОД

М.Ф. Овчинникова, д.б.н., И.А. Перова, О.В. Карева, О.А. Макаров, д.б.н.

Учебно-опытный почвенно-экологический центр МГУ им. М.В. Ломоносова,

e-mail: oa_makarov@mail.ru

В результате многолетних исследований выявлены признаки деградации гумуса, ухудшение физических, физико-химических, биохимических свойств дерново-подзолистой почвы, выведенной из сельскохозяйственного оборота. Негативные изменения качества гумуса проявились в ослаблении признака гуматности и усилении фульватного характера. Наибольшая информативность в оценке постагрогенных изменений свойств почвы отмечена в отношении показателей кислотности и характеристик гумуса.

Ключевые слова: изменение свойств почв, деградация гумуса, кислотность, каталазная активность.

CHANGE OF SOD-PODZOLIC SOIL PROPERTIES IN POSTAGROGENIC PERIOD M.F. Ovchinnikova, I.A. Perova, O.V. Kareva, O.A. Makarov

As a result of long-term researches attributes of degradation humus, deterioration of physical, chemical, biochemical properties of the sod-podzolic soil removed from an agricultural turnover are revealed. Negative changes of quality humus were showed in easing an attribute humate and strengthening fulvate character. The greatest information in an estimation postagrogenic changes of soil properties is noted concerning parameters of acidity and of characteristics humus.

Keywords: soil properties changes, humus degradation, acidity, catalase activity.

В условиях несбалансированного землепользования возрастает значимость почвенно-экологического мониторинга, т.е. постоянного слежения за изменением свойств почвы с целью выявления нежелательных отклонений от оптимальных показателей и сохранения потенциального плодородия почвы. Регулярный контроль за агроэкологи-ческим состоянием почв, относящихся к категории земель сельскохозяйственного назначения, важен как в условиях активного агротехнического воздействия, так и в условиях его ослабления или прекращения и выведения земель из сельскохозяйственного оборота. Актуальность подобного рода исследований определяется нарастающими темпами забрасывания земель сельскохозяйственного назначения (перевод их в залежи). Так, в 2006 г. у землепользователей, занимающихся сельскохозяйственным производством, имелось 167,6 млн. га. Из них по назначению не использовалось 41,5 млн. га, из которых 13,9 млн. га - это залежи (www.agronews.ru).

Нами изучено изменение во времени и пространстве показателей физических, физико-химических, биохимических свойств и характеристик гумуса дерново-подзолистой почвы, сформированной на покровных суглинках, подстилаемых тяжелосуглинистой красно-бурой мореной. Исследование проводили на территории Учебно-опытного почвенно-экологического центра МГУ им. М.В. Ломоносова (Московская обл.) в пределах производственного поля площадью 16 га. До 1991 г. поле находилось в структуре четырехпольного зернотраво-пропашного севооборота (чередование культур: подсолнечник, овес или ячмень, травы 1 года, травы 2 года) и активно использовалось в агрохозяйстве. В 1987 г. на поле проведено известкование по 1 гидролитической кислотности и осушительная мелиорация (в виде закрытого гончарного дренажа); в 1988 г. - внесен торфо-

навозный компост под подсолнечник в количестве 95 т/га; в 1988 и 1990 гг. - внесены минеральные удобрения и N^^^8). С 1991 г. поле, засеянное многолетними травами, выведено из сельскохозяйственного оборота. Комплексное изучение свойств почвы проведено в 3 срока с интервалом в 4 года (1991, 1995, 1999).

Главная сложность в исследовании экологического состояния почвы и выявления закономерностей его изменения во времени заключалась в чрезвычайной гетерогенности почвы и пространственной пестроте свойств не только в пределах крупных территорий, но и в пределах такой элементарной единицы землепользования, как пахотное поле. Усиление этих признаков наблюдается, как правило, на территориях с выраженным микро- и мезорельефом. Для исследованного нами поля характерна неоднородность рельефа, наличие выраженных микропонижений. К минимуму пестроты данных за счет сезонной изменчивости свойств образцы почвы отбирали в один и тот же срок - в августе. В первый год мониторинговых наблюдений (1991 г.) исследуемое поле было разбито на 30 примерно равных участков. В пределах каждого участка заложены элементарные учетные площадки размером 1 м2. Отбор образцов проводили буром послойно с интервалом 10 см до глубины 50 см. С каждой элементарной площадки отбирали смешанный образец для каждого слоя из 9 точек. Для определения оптимального объема выборки, с достаточной степенью достоверности характеризующего свойства почвы в пределах всего поля, из 30 элементарных площадок отбирали 10 наиболее характерных, отражающих типичные элементы рельефа. На примере показателей содержания гумуса и каталазной активности в слое 010 см в первый год наблюдений установлено, что различия между средними значениями показателей независимо от объема выборки (30 и 10) находились в пределах

ошибки выборочной средней. В дальнейшем свойства почвы послойно до глубины 50 см с интервалом 10 см оценивали по результатам изучения смешанных образцов, отобранных из 10 площадок, репрезентативно характеризующих исследуемый участок. В образцах почвы определяли плотность твердой фазы (удельная масса), плотность (объемная масса), общую пористость [1], рНКсь активность каталазы, содержание гумуса общепринятыми методами, групповой и фракционный состав гумуса по схеме Тюрина в модификации Пономаревой и Плотниковой [2]. Интенсивность отдельных стадий гумификации характеризовали показателями количественного соотношения гуминовых кислот и фульвокислот первой и второй фракций [3]. Статистическая обработка результатов исследования проведена методами вариационного и дисперсионного анализов по Б.А. Доспехову (1973).

Изученные показатели существенно различались по степени пространственной и временной изменчивости. Наименее вариабельны показатели физических свойств почвы, что особенно характерно для плотности твердой фазы почвы: на фоне очень низкого пространственного варьирования (0,4-1,0%) прослежена тенденция к незначительному увеличению показателя по глубине профиля и в его отдельных слоях через 4 и 8 лет после выведения поля из оборота (табл. 1).

В сравнении с плотностью твердой фазы почвы для показателей плотности и пористости почвы характерно увеличение коэффициента пространственного варьирования до 1 -7% и достоверное изменение показателей в профиле почвы и в первые 4 года после прекращения агрогенных воздействий: возрастание плотности почвы и, соответственно, уменьшение пористости. В последу-

ющие 4 года изменения показателей были несущественными и не имели однозначной направленности.

Пространственная изменчивость рНКС1 в разные сроки исследования и в разных слоях профиля варьировала в пределах низких и средних значений (2-17%), отмечено заметное возрастание кислотности по глубине профиля 0-50 см, что характерно для дерново-подзолистой почвы, сформированной на кислой почвообразующей породе. В первый срок наблюдений (1991 г.), т.е. через 4 года после известкования, пахотный слой почвы (0-20 см) в большинстве исследованных точек характеризовался реакцией среды, близкой к нейтральной, подпахотный (20-30 см) - слабокислой, нижележащие слои (30-40 и 40-50 см) - сильнокислой реакцией (табл. 1). В первые 4 года после отмены агромероприятий в пределах слоя 0-30 см зафиксирована тенденция к возрастанию кислотности. Негативная направленность в изменении кислотности сохранялась до конца наблюдений. За 8 лет пребывания почвы в постагрогенезе величины рНКС1 в пределах слоя 0-30 см снизились на 0,27-0,44 ед.; в пахотном слое наблюдалась смена близкой к нейтральной реакции среды до слабокислой. Повышение кислотности в значительной степени может быть обусловлено инфильтрационными потерями обменных оснований: количество осадков, выпавших за 12 лет после известкования, превысило среднемноголетнюю норму.

Кислотность почвы - один из важнейших факторов, отражающих интенсивность биологических и биохимических процессов (в т.ч. процесса гумификации). В качестве индикаторного показателя состояния почвы мониторингового участка выбрана активность каталазы - фермента, катализирующего окислительно-восстановительные

1. Изменение физических, физико-химических и биохимических свойств дерново__подзолистой почвы в постагрогенный период _

Год Глубина, см V, %

0-10 10-20 20-30 30-40 40-50 0-20 см 20-50 см

Плотность твердой фазы почвы, г/см3

1991 2,61 2,62 2,62 2,63 - 0,5-0,7 0,6-1,0

1995 2,62 2,64 2,67 2,69 2,71 0,4-0,8 0,7-0,9

1999 2,62 2,65 2,67 2,70 2,72 0,5-0,7 0,5-0,7

Плотность почвы, г/см3

1991 1,13 1,10 1,34 1,53 1,64 2-4 4-7

1995 1,32 1,30 1,46 1,65 - 1-3 3-5

1999 1,26 1,35 1,38 1,56 - 3-7 4-6

НСР05 0,08 0,10 0,04 0,04 - - -

Общая пористость, %

1991 56,8 52,3 48,9 41,3 - 2-4 3-6

1995 49,6 50,6 45,2 38,2 - 1-3 4-6

1999 50,6 49,3 46,2 41,6 - 2-7 5-6

НСР05 2,8 1,4 1,8 1,3 - - -

РНКС1

1991 5,76 5,86 5,43 4,28 3,74 5-10 2-17

1995 5,66 5,72 5,38 4,59 4,12 4-9 11-16

1999 5,49 5,43 5,12 4,48 4,20 3-8 10-15

НСР05 0,21 0,14 0,23 0,14 0,08 - -

Активность каталазы, см3О2/г/мин

1991 4,11 3,75 1,66 0,89 0,92 36-41 41-51

1999 3,29 3,13 2,54 1,25 0,80 24-28 39-48

НСР05 0,36 0,45 0,55 0,15 0,12 - -

Примечание. V - коэффициент пространственной изменчивости.

2. Изменение содержания и запаса гумуса в дерново-подзолистой почве

в постагрогенный период

Год п Содержание гумуса в слое почвы, % Запас гумуса в слое 0-50 см, т/га

0-10 см 10-20 см 20-30 см 30-40 см 40-50 см

1991 30 3,58 - - - - 147,5

10 3,44 3,82 2,01 1,40 1,19 146,0

1995 10 2,85 2,68 2,15 1,45 0,95 141,5

1999 10 2,75 2,26 1,94 1,42 0,94 130,8

НСР05 - 0,45 0,68 0,31 0,16 0,12 16,4

реакции и чутко реагирующего на изменение экологической ситуации. На фоне значительной пространственной вариабельности показателя (от 24 до 51% в зависимости от глубины) выявлено закономерное изменение усредненных величин в профиле почвы. Максимальный уровень каталазной активности зафиксирован в наиболее гумусированном пахотном слое, в нижележащих слоях наблюдалось резкое снижение активности фермента, что коррелировало с характером профильного распределения гумуса и показателей кислотности (табл. 1 и 2). Известно, что каталаза наиболее активна в условиях нейтральной или близкой к ней реакции среды [4]. Можно полагать, что уменьшение активности каталазы в пахотном слое (на 16-20%) в течение 8 лет после отмены агромероприятий связано как со снижением уровня гумусированности, так и с изменением реакции среды до слабокислой.

Для содержания гумуса, как и активности каталазы, характерна значительная пространственная изменчивость, коэффициенты которой в большинстве слоев варьировали в пределах 21-31%, в единичных случаях превысили 40%. Выраженная пространственная изменчивость показателя обусловлена влиянием ряда факторов разного происхождения (агрогенного, агротехногенного, природного). Про-

явление агрогенного фактора, характерное для пахотного слоя, связано с последствиями неравномерного внесения повышенной дозы торфо-навозного компоста (95 т/га) под вспашку; агротехногенного - с проведением осушительной мелиорации в виде закрытого гончарного дренажа; природного - с отчетливо выраженным микрорельефом. Трехкратное уменьшение объема выборки (от 30 до 10) с исследованием наиболее характерных площадок, отражающих типичные элементы рельефа поля, практически не влияло на уровень пространственной изменчивости содержания гумуса.

В течение 3 лет после внесения органических удобрений (1988-1991 гг.) в пахотном слое сохранялся бездефицитный баланс гумуса (3,6-3,7%) за счет остаточного последействия удобрений. Через 4 года после выведения поля из оборота и отмены всех агромероприятий, в том числе внесения органических и минеральных удобрений, зафиксировано снижение запаса гумуса в пределах пахотного слоя на 10%; убыль гумуса составила 2,2 т/га в год. Существенных изменений в уровне гумусиро-ванности подпахотного и нижележащих слоев в этот период не наблюдалось (табл. 2). В последующие 4 года темпы потерь гумуса в пахотном слое снизились до 1

3. Изменение показателей фракционно-группового состава гумуса в постагрогенный период

Показатель Глубина, см

0-10 10-20 20-30 30-40 40-50

1991 г.

Собщ., % 1,79 1,84 1,18 0,77 0,74

Сгк, % от Собщ. 33,8 33,3 26,2 22,1 15,0

Сгк/Сфк 0,90 0,94 0,68 0,57 0,35

Сгк2, % от Собщ. 11,0 11,3 8,5 5,0 3,5

Сгк1/Сфк1 1,10 1,15 1,22 1,20 0,94

Сгк2/Сфк2 1,10 1,15 0,81 0,57 0,32

Подвижность гумуса 1,17 1,07 1,17 1,38 1,35

1995 г.

Собщ., % 1,58 1,44 1,41 0,68 0,52

Сгк, % от Собщ. 26,5 23,8 23,0 18,7 16,3

Сгк/Сфк 0,64 0,57 0,58 0,48 0,34

Сгк2, % от Собщ. 8,0 7,5 6,0 4,0 3,8

Сгк1/Сфк1 1,14 1,11 1,29 1,40 1,50

Сгк2/Сфк2 0,54 0,50 0,49 0,40 0,20

Подвижность гумуса 1,05 1,04 1,01 1,24 0,93

1999 г.

Собщ., % 1,38 1,31 1,13 0,89 0,58

Сгк, % от Собщ. 22,1 20,1 19,0 16,1 13,9

Сгк/Сфк 0,50 0,49 0,48 0,43 0,35

Сгк2, % от Собщ. 6,1 5,4 5,0 3,5 3,0

Сгк1/Сфк1 1,0 0,93 0,92 1,11 1,27

Сгк2/Сфк2 0,41 0,39 0,42 0,37 0,17

Подвижность гумуса 1,07 1,05 1,12 1,17 0,94

т/га в год. Можно полагать, что в дальнейшем при условии неизменного характера землепользования почва достигнет стационарного состояния, при котором содержание гумуса установится на определенном уровне в соответствии с продуктивностью фитоценозов и количеством поступающих в почву растительных остатков.

За 8 лет пребывания почвы в постагрогенезе потери гумуса в слое 0-50 см составили 10% по отношению к исходному уровню, т.е. к уровню 1991 г., при этом преимущественная доля потерь (около 80%) приходится на пахотный слой. По размерам снижения запаса гумуса в слоях 020 и 0-50 см почва охарактеризована как слабодеградированная.

В результате неблагоприятного изменения таких факторов гумификации, как количество гумусообразова-телей, кислотность, биохимическая активность, наблюдалось ослабление процесса гумификации и ухудшение качества гумуса. В 1991 г. гумус пахотного слоя характеризовался гуматно-фульватным составом и высокой степенью гумификации (табл. 3). Через 8 лет после прекращения агрогенных воздействий зафиксированы снижение суммарного количества гуминовых кислот (ГК) на 37%, изменение степени гумификации от высокой до средней, смена гуматно-фульватного состава гумуса на фульватный. Содержание гуминовых кислот снизилось за счет всех фракций, но с преимущественной потерей гуматов, в отношении которых прослежены и деструкция, и ослабление процесса формирования, т.е. снижение интенсивности второй стадии гумификации, характеризуемой показателем Сгк2/Сфк2. Существенного изменения интенсивности первой стадии гумификации, или процесса новообразования ГК, характеризуемого показателем Сгк1/Сфк1, не наблюдалось.

Вследствие своеобразного перераспределения среди подвижных и прочно связанных с минеральной частью почвы фракций гумусовых кислот во всех исследованных слоях наблюдалась отчетливо выраженная тенденция к уменьшению подвижности всей системы гумусовых кислот (табл. 3). Проявление этой тенденции, как и другие признаки трансформации гумусовых веществ, отражает изменение структуры фитоценозов, появление более устойчивых в изменившихся экологических условиях луговых растений, развитие дернового процесса и, как следствие, уплотнение почвы, наиболее четко выраженное в пределах верхнего слоя 0-20 см.

Таким образом, выведение поля из оборота (прекращение ухода за почвой, отмена проведения агромеро-приятий) привело к ухудшению физических, физико-химических, биохимических свойств почвы, неблагоприятным изменениям условий гумификации и, как следствие, проявлению признаков деградационной трансформации гумусовых веществ. По масштабам потерь гумуса в пахотном слое и в пределах слоя 0-50 см почва охарактеризована как слабодеградированная. Отмечено ухудшение качества гумуса, что проявилось в ослаблении признака гуматности и усилении фульватного характера. Ослабление процесса гумификации обусловлено преимущественно снижением интенсивности процесса формирования гуматов, или второй стадии гумификации. Прослежено сопряженное изменение характеристик гумуса и показателей физических, физико-химических, биологических свойств почвы. Наибольшая информативность в оценке постагрогенных изменений свойств почвы отмечена для показателей кислотности и характеристик гумуса.

Литература

1. Вадюнина А.Ф., Корчагина З.А. Методы исследования физических свойств почвы. - М.: Агропромиздат, 1986. - 416 с.

2. Пономарева В.В., Плотникова Т.А. Гумус и почвообразование. - Л.: Наука, 1980. - 221 с.

3. Овчинникова М.Ф. Особенности трансформации гумусовых веществ в разных условиях землепользования (на примере дерново-подзолистой почвы): Автореф. дисс. д.б.н. - М.: МГУ, 2007. - 49 с.

4. Гельцер Ю.Г. Биологическая диагностика почв. - М.: МГУ, 1986. - 25 с.