Экологические условия гумусообразования черноземов Урала

Русанов А.М., Агишева С.Ю.

ГОУ ВПО «Оренбургский государственный университет»

ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ ГУМУСООБРАЗОВАНИЯ ЧЕРНОЗЕМОВ УРАЛА

Представлены обобщенные данные по особенностям экологии гумусообразования черноземов Урала как в зонально-генетическом, так и в региональном аспектах. Показана пространственная динамика таких незаменимых факторов формирования системы показателей гумусового вещества почв, как климат, растительность, период биологической активности и ее причины.

Ключевые слова: гумусообразование, экосистема, инверсия, мезоклимат, микробиологическая

активность, асимметрия.

Гумус и его качественно-количественные показатели находятся в ряду важнейших свойств почв, определяющих как их экологические функции в биосфере, так и хозяйственные свойства. С ним связаны жизнедеятельность растений, микроорганизмов и животных, устойчивость биогеоценоза в целом. Начиная с работ В.В. Докучаева (6) и П.А. Костычева (9) проблема гумуса занимает одно из центральных мест в ряду теоретических проблем естествознания.

Гумусообразование является незаменимой составляющей почвообразовательного процесса, его высшей, завершающей стадией. Оно тесно связано с условиями почвообразования. Гумусное состояние почв формируется в специфической среде, в создании которой принимают участие все факторы почвообразования.

Зонально-генетические особенности экологических условий гумусообразования были вскрыты фундаментальными трудами И.В. Тюрина (20), М.М. Кононовой (8), Л.Н. Александровой (1), В.В. Пономаревой и ТА Плотниковой (14), Д.С. Орловым (12), Е.Ю. Милановским (10). Ими было показано, что диагностическими признаками почв является не только содержание и профильное распределение гумуса, но и его групповой и фракционный состав, амфифильные

Таблица 1.Основные климатические

свойства гумусовых веществ, содержание некоторых неспецифических неорганических соединений, а гумусообразование рассматривается как сочетание ряда противоречивых, порой разнонаправленных процессов.

Помимо зональных отличий на экологию гумусообразования накладывают свои отпечатки региональные особенности. Последнее обстоятельство в полной мере проявляется в условиях черноземной полосы Южного Урала.

Мысль В.В. Докучаева (6) об определяющей роли климата в формировании почвенно-географических закономерностей была развита в целом ряде работ (3-5, 7 и др.) и в наиболее полном виде выражена в законе примата климата, сформулированном И.А. Соколовым (19). На большом и убедительном фактическом материале доказано, что от таких климатических агентов, как температура и увлажненность почв, зависит вероятность и скорость многих химических, биохимических и биологических процессов, лежащих в основе процессов биосинтез гумуса. Динамика важнейших показателей климата черноземной полосы Урала представлена в таблице 1.

Среди приведенных данных, каждый из которых имеет важное значение, особого внимание заслуживает период биологической актив-

показатели черноземной зоны Урала

Показатели Чернозем оподзоленный Чернозем выщелоченный Чернозем типичный Чернозем обыкновенный Чернозем южный

Е>10°С < 2050 2050-2200 2150-2300 2200-2400 2400-2600

Гидротермический коэффициент 1,05-0,93 0,90 - 0,85 0,80-0,82 0,67-0,70 0,54-0,60

Глубина промерзания, см 75-90 90-100 100-115 100-120 105-120

Осадки, мм 500 - 450 470-420 420-450 380-400 370-380

Продолжительность залегания снежного покрова, сутки > 160 145-160 145-155 140-155 135-145

t июля, °С 18,7-19,8 20,0-20,2 20,2-21,9 20,2-21,9 20,5-22,3

t января, °С -17,0-18,5 -17,2-16,9 -16,7-16,3 -16,5-15,8 -15,8-14,9

Период биологической активности почв, сутки 148 150 155 147 142

Таблица 2. Геоботаническая характеристика черноземной зоны Урала

Подтип чернозема, геоботаническая ассоциация

Показатели оподзоленный, выщелоченный, типичный, обыкновенный, южный,

мятликово- кострово- разнотравно- ковыльно- типчаково-

разнотравная разнотравная ковыльно-типчаковая типчаковая ковыльная

Проективное покрытие, % 75-85 80-90 85-95 65-70 5 5 - 5 6

Средняя высота травостоя, см 40-45 43-48 30-33 27-30 22-27

Число ярусов 5-6 5-6 5 4 - 5 3-4

Фитомасса надземная, ц/га 51,8 57,9 62,7 48,5 35,5

Фитомасса подземная, ц/га 134,7 144,8 175,6 164,9 156,2

Подземная Надземная 2,6 2,5 2,8 3,4 4,4

Общий запас, ц/га 186,5 202,7 238,3 213,4 191,7

ности почв (ПБА) - это время, на протяжении которого среднесуточная температура превышает +10о С, а запасы продуктивной влаги составляют более 2%. При его прохождении создаются благоприятные условия для вегетации растений, микробиологической и ферментативной деятельности. Согласно кинетической теории гумификации (12) степень преобразования органических остатков в специфические гумусовые вещества (Н) зависит от количества гумифицируемых растительных остатков (О), интенсивности их трансформации, которая пропорциональна биохимической активности почв (I), и времени гумификации (Т): Н=£^1Т). Все параметры уравнения зависят от гидротермических условий территории. Между величиной Н и ПБА, а также между некоторыми важнейшими качественно-количественными параметрами гумусного состояния почв существует надежная корреляционная связь (15).

Климат, в свою очередь, во многом определяет тип и состояние естественной растительности территории. Основные показатели растительных группировок приведены в таблице 2.

Как следует из таблицы в подзоне типичных черноземов по таким показателям растительности, как проективное покрытие, запасы надземной и подземной биомассы складываются относительно благоприятные условия. К северу и к югу от нее запасы фитомассы и проективное покрытие травостоя снижаются. Возрастание с севера на юг отношения подземной биомассы к надземной убедительно свидетельствует об общей аридизации климата.

Непременным условием гумусообразова-ния является высокая микробиологическая активность почв. Она, в свою очередь, регулируется такими экологическими факторами, как

климатом, видовым составом и сомкнутостью растительности, почвенной микрофлорой. Судя по многочисленным определениям процента уменьшения льняной ткани, помещенной в исследуемые почвы на равные отрезки времени, наибольшей микробиологической активностью обладают выщелоченные и типичные черноземы, наименьшей - южные.

Среди региональных особенностей условий гумусообразования черноземов Урала следует отметить тяжелый механический состав почвообразующих пород (пермские и мезозойские глинистые и тяжелосуглинистые карбонатные отложения) и почв, что, вместе с недостатком увлажнения и высокими летними температурами определяет незначительную глубину прома-чивания верхних горизонтов черноземов; с другой стороны в этой небольшой по объему почвенной массе образуется высокая концентрация живых и мертвых корней, основного исходного вещества для гумусообразования. Поэтому черноземы региона отличаются пониженной мощностью гумусового горизонта и высокой гумусированностью.

Территория южноуральского региона отличается сложным рельефом, который, как известно, является фактором перераспределения тепла и влаги. Среди равнинных пространств выделяются Бугульминско-Белебеевская возвышенность, Общий сырт, Губерлинские горы, многочисленные отроги Уральских гор. Базис эрозии региона колеблется от 100 до 300 и более метров. Характерной особенностью геоморфологического строения Южного Урала является ландшафтная асимметрия. Она проявляется нерав-носклоновостью междуречных возвышенностей и неодинаковым размещением типологических ландшафтных комплексов на склонах разных экспозиций - короткими, крутыми и покатыми

Русанов А.М., Агишева С.Ю.

Экологические условия гумусообразования черноземов Урала

южными склонами и пологими и длинными северными (11). Происхождение асимметрии связано с широтным простиранием рек территории и влиянием тектонического строения, на которые накладываются воздействия экспозиционного биоклиматического фактора (13).

С целью изучения влияния экспозиции склона на условия формирования системы показателей гумусового вещества почв в подзоне южных черноземов Урала, в пределах Обще-сыртовской возвышенности, на водоразделе рек Каргалка и Черная были выполнены комплексные исследования (17), результаты которых приведены в таблице 3.

Полученные данные свидетельствуют, что по всей совокупности абиотических и биотических экологических факторов на северном склоне формируются более благоприятные условия для гумусообразования, чем на водоразделе и на склоне южного направления. По факторам почвообразования и условиям формирования гумуса на северном склоне складываются условия, характерные для подзоны обыкновенных черноземов.

В пределах черноземной полосы Урала существующий комплекс природных условий вызвал такое редкое явление, как инверсии (изменение обычного порядка простирания) географических зон и подзон. Одна из инверсий связана с влиянием рельефа. На западных склонах Уральского хребта завершается влияние на климат влажных атлантических воздушных масс. В Зауралье климат значительно суше, конти-нентальнее. Гидротермический режим местности, расположенной восточнее от Уральского горного массива, испытывает слабое влияние северных морей и Каспия. Здесь господствует

материковый, внутриконтинентальный тип годового режима влажности и температуры воздуха. По световому и радиационному режиму, по изотермам воздуха и почв самого жаркого и самого холодного месяцев, по среднегодовым количествам осадков, по относительной влажности воздуха Предуралье и Зауралье заметно отличаются между собой. Вместе с климатическими показателями меняется видовой состав естественной растительности, ее обилие, проективное покрытые, ярусность травостоя, объем растительной биомассы, биологическая (микробиологическая) активность почв. Кроме того Зауралье и Предуралье существенным образом отличаются по химическому, минералогическому и механическому составам почвообразующих пород.В результате Уральский хребет стал не только границей соседних почвенных фаций, но по его оси происходит нарушение сплошности широтных природных полос, их смещение относительно друг друга. Так, на рубеже 52о40' с.ш. в Предуралье простирается северная граница лесостепи (типичные черноземы), а в Зауралье эта условная граница соответствует центру подзоны настоящих степей (обыкновенные черноземы); настоящая же степь Предуралья через горный перевал граничит с засушливой степью Зауралья (2, 16).

Перечисленные обстоятельства вызвали закономерные различия в экологии гумусооб-разования черноземов Предуралья и Зауралья.

Другая инверсия отмечена на крайнем западе региона и связана с климатообразующей ролью Бузулукского бора, крупного реликтового лесного массива, расположенного на водоразделе рек М. Кинель и Самара, в границах

Таблица 3. Некоторые условия гумусообразования разных участков асимметричного склона подзоны южных черноземов

Показатели Часть водораздела

склон северной экспозиции плато склон южной экспозиции

Растительность типчаково-ковыльная ковыльно-типчаковая полынково-типчаковая

Проективное покрытие, % 70-75 65-70 55-60

Средняя высота травостоя, см 37 34 29

Число ярусов 5 5 4

Общая фитомасса, ц/га: 186.65 181.04 177.44

в т. ч. надземная 52.10 42.76 37.44

подземная ( 0-20 см) 134.55 138.28 140.0

Запасы воды в снеге, мм 33 31 26

Температура почв на поверхности, °С, июль 25.5 26.2 28.8

Глубина промерзания, см 95 97 110

ПБА, сутки 148 140 130

Биологическая активность, убыль ткани, % за 21 день 28 31 23

настоящей степи. Лесные экосистемы за счет анатомо-физиологических особенностей древесных пород способны аккумулировать влагу и влиять на гидрологию территории. Из-за высокой теплоемкости воды значительная часть солнечной энергии, поступающей к земле, теряется на нагрев атмосферной и почвенной влаги, благодаря чему на территории леса формируется относительно влажный и мягкий мезок-лимат, влияние которого не ограничивается лесопокрытыми пространствами, но, главным образом за счет ветровой активности, распространяется на соседние ландшафты. В случае с Бузулукским бором на примыкающих к нему пространствах наблюдается выравнивание колебаний суточных и сезонных температур, повышение влажности воздуха и высоты снежного покрова, запасов влаги в метровой толще почв, повышение их микробиологической активности, смена растительных группировок со злаковых на разнотравно-злаковые и т. д. Следствием этих изменений стало образование вокруг соснового леса двадцатикилометровой полосы, которая по совокупности признаков и со всеми типичными для нее условиями гумусооб-разования соответствует южной лесостепи (18).

Таким образом бор, через сформированный им мезоклимат, вызвал локальную инверсию географических зон: настоящая (северная) степь по всей своей ширине теряет свою сплошность, из-за чего западная и восточная границы ее ориентированы здесь в меридиональном направлении, а на южной стороне соснового леса подзона засушливой степи напрямую граничит с лесостепью.

Следовательно, экологические условия гу-мусообразования черноземов Урала отличаются высокой степенью неоднородности, что связано с причинами как зонального, так и регионального уровня. Они, в свою очередь, определяют широкий спектр качественно-количественных признаков органического вещества почв региона. Известно, что черноземные почвы агроценозов в настоящее время по разным причинам утратили от 22 до 45-55% гумуса (2, 15). Для разработки комплекса мер по восстановлению гумусного состояния черноземов Урала важно определить не только их антропогенную динамику (степень деградации), но и выявить изменения в экологии гумусообразо-вания с целью моделирования условий образования гумусовых веществ в агроландшафте.

Список использованной литературы:

1. Александрова, Л.Н. Органическое вещество почвы и процессы его трансформации. Л.: Наука, 1980. - 287с.

2. Блохин Е.В. Экология почв Оренбургской области. Екатеринбург: УрО РАН, 1997. - 197с.

3. Волобуев В.Р. Почвы и климат. Баку: Изд-во АН АзССР, 1953. - 320 с.

4. Герасимов И.П. Опыт генетической диагностики почв СССР на основе элементарных почвенных процессов // Почвоведение, 1975. - №5. - С.3-15.

5. Глинка К.Д. Почвоведение. М.: Госсельхозиздат, 1931. - 225 с.

6. Докучаев, В.В. Русский чернозем. СПб: Вольное экономическое общество, 1883. - 376с.

7. Иенни Г. Факторы почвообразования. М.: Изд-во иностр. лит., 1948. - 49-73 с.

8. Кононова М.М. Органическое вещество почвы, его природа, свойства и методы изучения. - М.: Изд-во Ан СССР, 1963. - 314 с.

9. Костычев П.А. Образование и свойства перегноя. СПб, 1989. - 156 с.

10. Милановский Е.Ю. Амфифильные компоненты гумусовых веществ почв // Почвоведение, 2000. - №6. - С.706-715.

11. Мильков Ф.А. Чкаловские степи. Чкалов: ОГИЗ, 1947.

12. Орлов Д.С. Гумусовые кислоты почв и общая теория гумификации. М.: Изд-во МГУ. 1990.- 325с.

13. Полынов Б.Б. Избранные труды. М.: Изд-во АН СссР, 1956. - 637с.

14. Пономарева, В.В., Плотникова, Т.А. Гумус и почвообразование. Л.: Наука, 1980 - 224с.

15. Русанов А.М. Гумусное состояние черноземов Уральского региона как функция периода их биологической активности // Почвоведение, 1998. -№3. - С.302-308

16. Русанов А.М. Об инверсии географических зон на территории лесостепной и степной зон Южного Урала и Высокого Заволжья // Проблемы геологии, охраны окружающей среды и управление качеством экосистем. Оренбург, 2006. - С. 291293.

17. Русанов А.М., Милякова Е.А. Влияние экспозиции склона на свойства южных черноземов Предуралья // Почвоведение, 2005. - №6. - С 645 - 652.

18. Русанов А.М., Шеин Е.В., Милановский Е.Ю. Влияние Бузулукского бора на прилегающие ландшафты и свойства почв // Почвоведение, 2008. - №2. - С146-152.

19. Соколов И.А. Теоретические проблемы генетического почвоведения - Новосибирск: «Гуманитарные технологии», 2004 -288 с.

20. Тюрин, И.В. Географические закономерности гумусообразования // Тр. Юбилейной сессии, посвящ. 100-летию со дня рождения В.В. Докучаева. - М.: Изд-во АН СССР, 1949. - С.85-101.