Процессы постагрогенной трансформации минеральной части дерново-подзолистых почв: на примере железа, алюминия и марганца

Актуальность темы

В настоящее время все большее количество сельскохозяйственных угодий выводится из использования (Агропромышленный комплекс России, 2001). Этому способствовали различные факторы в экономическом развитии государства, что привело к увеличению площади залежных земель (Чернов Д.В., Кириллова Е. Л., 2000). По данным Госкомстата РФ площади таких земель уже к концу 2002 года составляли около 20 млн. га и продолжают увеличиваться (Anderson J. Р., и др., 2000,. Заварзин Г. А, 2001).

На заброшенных сельскохозяйственных землях начинаются естественные процессы восстановления растительности. Постепенно луговая растительность сменяется вторичным лесом. В результате этого происходит трансформация строения профиля и морфологии почв, начинают преобладать естественные процессы почвообразования.

Самовосстановление почв можно определить как совокупность естественных природных процессов, проявляющихся в «стремлении» почвенной системы вернуться в исходное, ненарушенное состояние. Явления самовосстановления почв известно давнооно многократно «закономерно» происходило при под-сечно-огневом, переложном и залежном земледелии.

Почти все имеющиеся на сегодняшний день данные свидетельствует о том, что характер изменения химических свойств от первоначального состояния самой почвы и от возраста залежи и типа биоценоза. При этом признаки освоения сохраняются под лесом довольно продолжительное время, в частности повышенное содержание питательных веществ и гумуса (Апарин Б.Ф., Васильев A.M., 1981).

На протяжении 20 века поддержание плодородия сельскохозяйственных земель осуществлялась главным образом за счет применения минеральных удобрений и широкомасштабного известкования, что явилось одним из главных факторов существенного изменения биогеохимических циклов важнейших биофильных элементов в почвах и может коренным образом менять не только темпы, но и общую направленность процессов самовосстановления.

Дерново-подзолистые почвы составляют основу пахотного фонда Нечерноземной зоны России. Уровень их естественного плодородия, как правило, невысок. Но путем применения всех приемов улучшения плодородия около 15% пахотных дерново-подзолистых почв к началу 90-х годов 20 века было доведено до степени хорошей окультуренности (Ефимов В.Н., Иванов А. И., 2001).

За последние годы резко сократились капитальные вложения в сельское хозяйство и, как следствие этого, уменьшились количества вносимых удобрений и мелиорантов, в результате чего начались негативные изменения состава и свойств, высоко окультуренных почв, используемых в сельскохозяйственном производстве, то есть деградация плодородия.

Так, по данным Д. С. Булгакова с соавторами (2004), за последние 25−30 лет уровень плодородия пахотных почв за счет всех видов деградации снизился, примерно, на 10 — 12%. За последние 5−6 лет на пашне (фактически используемой), примерно в 1,5 раза возросли площади кислых почв, примерно в 1,5 раза, усилились темпы ежегодного снижения содержания гумуса, отрицательный баланс NPK достиг примерно 100 кг/га в год. Таким образом, темпы снижения плодородия почв в результате деградации в эти годы возросли по сравнению с периодом с 1970 по 1990 гг. (Воробьев В.А., 2004).

В таежно-лесной зоне данный процесс проявляется наиболее интенсивно, учитывая критический характер земледелия. Отсутствие обработки, изменение характера растительного покрова, прекращение антропогенного воздействия приводит к существенным изменениям не только свойств и режимов почв, но и почвообразовательных процессов в целом, причем изменяется не только интенсивность их протекания, но и их направленность. Ранняя индикация и диагностика многочисленных процессов в почве, включая самовосстановление, можно осуществлять по кислотно-основным свойствам, гумусовому состоянию, а также различным формам железа, алюминия и марганца.

Железо, алюминий и марганец являются основными химическими элементами почвы, которые четко реагируют на изменение хода почвообразовательного процесса. Благодаря высокой реакционной способности эти элементы отличаются многообразием химических форм, соединений и глубокими трансформационными преобразованиями в почве. Распределение различных форм соединений железа и алюминия по профилю почв является индикатором направленности и скорости протекания ряда элементарных процессов почвообразования, что особенно четко проявляется в почвах элювиального ряда.

Соединения железа во многом определяют морфологический облик почв, особенно в гумидных ландшафтах, где железо является типоморфным элементом.

Изменение поведения железа, алюминия и марганца в почвах изучалось многими авторами, но после прекращения антропогенного использования еще не проводилось. Изучение механизмов процессов самовосстановления почв, выведенных из сельскохозяйственного использования, интересно как научное значение, так и определенный практический интерес, связанный с прогнозом их развития.

Цель и задачи исследования

Целью настоящих исследований явилось установление скорости и направленности процессов почвообразования и изучения распределения форм соединений железа, алюминия и марганца в дерново-подзолистых суглинистых почвах при прекращении антропогенного воздействия в следующем временном ряду 5,10, 15, 25, 35, 63 и 70 лет в различных поч-венно-климатических условиях (средняя и южная подзоны таежно-лесной зоны). В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:

1. Проследить изменение характера растительности, строения профиля и морфологических признаков реградированных и постагрогенных почв в сравнении с целинными и пахотными аналогами.

2. Определить характер изменения валового химического состава, гранулометрического состава и плотности сложения почв при отсутствии механической обработки.

3. Изучить особенности гумусового состояния и кислотно-основных свойств дерново-подзолистых суглинистых почв при смене растительности с культурной на естественную (луговую и лесную).

4. Установить влияние различного уровня антропогенной нагрузки на содержание различных форм железа, алюминия и марганца и характер их распределения по профилю почв.

5. Изучить характер изменения направленности процессов почвообразования при постагрогенной трансформации дерново-подзолистых суглинистых почв.

Научная новизна работы. Впервые проведен сравнительный анализ изменения физико-химических показателей дерново-подзолистых суглинистых реградированных и постагрогенных почв, а также их целинных аналогов в условиях средней и южной подзоны таежно-лесной зоны. Выявлена зависимость между климатическими факторами и физико-химическими параметрами почв. Установлено изменение поведения различных форм железа, алюминия и марганца в почвах после прекращения антропогенного использования. Идентифицированы элементарные почвообразовательные процессы, усиливающиеся после прекращения антропогенного использования.

Практическая значимость. Исследование реградированных земель позволяет рассмотреть изменения, происходящие в таких почвах во времени. Результаты показывают, что ранее окультуренные почвы при прекращении антропогенного воздействия теряют благоприятные свойства, приобретенные в процессе интенсивного использования.

В современных условиях ведения сельского хозяйства необходимо изучать свойства почв, оставленных без антропогенного воздействия, с тем, чтобы при необходимости расширения площади используемых земель в будущем иметь представление о состоянии реградированных почв в определенный момент времени. Это позволит выбрать наиболее оптимальный участок для повторного вовлечения в культуру, либо для использования в других целях. Положения, выносимые на защиту.

1. Изменения показателей плодородия почв после прекращения антропогенного использования.

2. Результаты исследований по изучению содержания форм и групп соединений железа и алюминия в реградированных и целинных почвах.

3. Оценка содержания подвижного марганца в реградированных и постагро-генных почвах.

Апробация работы. Основные результаты диссертации представлены и доложены на ежегодной научно-практической конференции профессорского-преподавательского состава СПБГАУ (Санкт-Петербург, Пушкин 2005) — международной научно-практической конференции «Агроэкология и научно-технический прогресс» (Санкт-Петербург, Пушкин, 2005) — Всероссийской научной конференции, посвященной 160-летию со дня рождения В. В. Докучаева и 170-летию образования 1-й в России университетской кафедры агропочвенно-го направления (Санкт-Петербург, 2006) — IX Всероссийской конференции «До-кучаевские молодежные чтения» (Санкт-Петербург, 2006).

Публикации. По результатам диссертационных исследований опубликовано 8 работ, в том числе одна в издании, рекомендованном ВАК.

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, 7 глав, основных выводов и приложений. Диссертация изложена на 124 страницах машинописного текста, содержит 24 таблиц, J рисунков. Список использованной литературы включает 124 наименования, в том числе 24 источника зарубежной литературы.

выводы.

1. Сравнительные исследования (морфологическое) целинной лесной, пахотной и реградированных дерново-подзолистых суглинистых почв, формирующихся в одинаковых условиях рельефа в Киришском и Луж-ском районе Ленинградской области показали, что пахотные почвы заметно отличаются от целинных и реградированных строением профиля и физико-химическими свойствами. В реградированных почвах сохранились признаки прошлого окультуривания, которые постепенно исчезают при увеличении срока реградации.

2. Прекращение антропогенного использования привело к морфологическим изменениям пахотного горизонта. На поверхности сформировался слой дернины (0−3 см), а серогумусовый горизонт (AY) разделился по плотности сложения на слои 2 — 15 и 15 — 25 см, что вызвано неглубоким проникновением в почву корневой системы многолетних трав. В зоне уплотнения появляются признаки сегрегации, а в нижней части микрозоны элювиирования.

3. Целинные лесные почвы характеризуются низким содержанием гумуса, который сосредоточен в слое 4 — 15 см. Процессы окультуривания привели к увеличению содержания гумуса в 3 раза и мощность гумусовой толщи в 2 раза. В реградированных и постагрогенных почвах содержание гумуса в первые годы реградации остается на уровне пахотной почве. Но с увеличением возраста залежи происходит снижение содержания гумуса и наблюдается дифференциация гумусового горизонта по данному показателю, с выраженной дегумификацией в нижней части. Причем этот процесс в почвах южной подзоны выражен более четко, чем в почвах средней подзоны вследствие различных гидротермических условий.

4. Запасы гумуса в слое 0−20 и 0−50 см практически одинаковы, что свидетельствует о низком содержании гумуса. При окультуривании происходит увеличение запасов гумуса в 2 раза. По мере зарастания сельскохозяйственных угодий запасы гумуса постепенно снижаются и приближаются к целинному аналогу. Содержание запасов гумуса в почвах средней и южной подзон различаются примерно в 1,5 раза, что опять же объясняется различием гидротермических условий.

5. В целинных почвах реакция среды сильнокислая, почва не насыщена основаниями. В результате антропогенного использования почв происходит нейтрализация реакции почв до 6,5 единиц pHkci, степень насыщенности почв основаниями повышается до 90% При переходе почвы из пашни в залежь, происходит смена растительности, уменьшается степень насыщенности основаниями, увеличивается гидролитическая кислотность и показатель рН уменьшается.

6. Содержание валового железа в исследуемых почвах колеблется в узких пределах от 1,1 до 5,0%. Почвы средней и южной подзон среднеожелез-ненные, развитие оксидогенеза умеренно низкое. Профиль пахотной почвы слабо дифференцирован по содержанию несиликатного и аморфного железа. Небольшое увеличение содержания этих соединений наблюдается в иллювиальном горизонтах. В почвах средней подзоны несиликатные формы представлены аморфным и слабокористализованным железом. В почвах южной подзоны большая часть несиликатных форм представлена сильнои слабоокристаллизованными соединениями, на долю аморфных приходится незначительная часть. По мере увеличения времени нахождения почв без использования несколько возрастает выраженность элювиально-иллювиальных процессов, что приводит к обеднению соединениями несиликатного железа. Вследствие развития оглеения в почвах средней подзоны сложно диагностировать элювиальные процессы. Коэффициент Швертмана указывает на высокую активность и преобладание аморфных форм железа.

7. Изменение содержания алюминия в профиле исследуемых почв также носит элювиально-иллювиальный характер. Элювиальность от почвы леса к пашни уменьшается и вновь увеличивается в реградированных и постагрогенных почвах. В почвах средней подзоны вследствие хорошей окультуренности и реакции среды близкой к нейтральной обменный алюминий не обнаружен, в почвах средней подзоны содержание обменного алюминия носит возрастающий характер от пашни ко вторичному лесу в следствие увеличения реакции среды.

8. Содержание марганца в ряду исследованных почвах в первую очередь обусловлено биогенным накоплением, основная масса валового, подвижного и активного марганца сосредоточена в основном в верхнем серогу-мусовом горизонте. В пахотных почвах основная масса марганца находится в агрогумусовом горизонте и резко уменьшается в нижней части профиля. При смене культурной растительности на естественную содержание марганца в профиле реградированных почвах увеличивается, а элювиальная часть профиля обеднена изученными формами марганца.

9. Сравнительный анализ почв средней и южной подзоны показывает, что различие гидротермических условий и степени окультуренности неоднозначно сказывается на физико-химических показателях почв.

10.Обработка почв приводит к смене природных почвообразовательных процессов (дернового и элювиального) на культурные. К 63 — 70 годам после прекращения антропогенного воздействия постепенно восстанавливаются соотношение и интенсивность элементарных почвообразовательных процессов. Дальнейшее использование реградированных почв возможнопод пашню, улучшенный сенокос. Экономическая эффективность вывода реградированных почв в пашню, показала, что срок окупаемости 70 летней почвы составляет 39 лет. Поэтому целесообразно и экономически более эффективно возвращать залежи в пашню почвы до 20 — 30 лет.