Агроэкологическая оценка полугидроморфных структур почвенного покрова южной лесостепи Тамбовской равнины

В последние годы существенно расширяются и углубляются представления о гидроморфизме почв и структуре почвенного покрова ЦентральноЧерноземного района России. При этом, наряду с обсуждением массовых проявлений вторичного антропогенного гидроморфизма поступательно пересматривается ареал распространения природных лугово-черноземных и черноземно-луговых почв. Особенно это относится к Тамбовской равнине. По мере развития почвенно-географических исследований и углубления гидрогеологической диагностики почв, почвенный покров этой равнины «становится» все более гидроморфным. На почвенной карте Тамбовской области 1952 года преобладающими почвами показаны черноземы выщелоченные и типичные. В последующих работах Ахтырцева (1962), Адерихина (1969) отмечается широкое распространение полугидроморфных почв, но утверждается их приуроченность только к водораздельным понижениям. В дальнейших работах (Самойлова, Якушевская, 1969, 1970) показано широкое распространение лугово-черноземных почв на водораздельных территориях. В результате экспедиционных исследований в 1968;1969 гг. E.H. Иванова отмечала, что черноземы Тамбовской равнины занимают лишь ограниченные ареалы в нешироких приречных и прибалочных зонах. В последние годы массовое проявление гидроморфизма почв на севере Тамбовской равнины, его экологические последствия обстоятельно показаны в работах Ф. Р. Зайдельмана, A.C. Никифоровой, JI.B. Степанцовой (2002, 2006), С. Б. Сафронова (2008). Такая смена почвенно-экологических представлений не может не иметь агрономического значения, учитывая, что практика сельскохозяйственного использования этой территории сложилась применительно к автоморфным почвам — черноземам типичным и выщелоченным. Представление агрономической аудитории об их преобладании (83%) сохраняются по сей день (Отчет по государственному контракту, 2008 г.). Между тем, неадекватность рекомендованных зональных систем земледелия и агроприемов фактическим условиям становится все более очевидной, особенно в связи с попытками освоения интенсивных агротехнологий. Особенно отчетливо проявляются эти противоречия в условиях полугидроморфных ландшафтов с развитым микрорельефом, в связи с систематическим вымоканием озимых культур по микропонижениям. Сказывается слабая изученность мезои микроструктур почвенного покрова, требующих дифференцированного подхода в отношении различных с.х. культур и применяемых к ним агротехнологий. Чрезвычайно актуальна агроэкологическая оценка полугидроморфных структур почвенного покрова и разработка критериев агроэкологической оценки земель с такими компонентами.

1. Состояние проблемы агрооценки полугидроморфных почв.

Характер структуры почвенного покрова (C11L1) на территориях распространения переувлажненных почв степной зоны изучали Е. В. Яровенко (1989) на Украине и Ф. Р. Зайдельман с соавт. (1998) в Ставропольском крае. Для Восточного Донбасса такие работы проведены впервые в работах О. Г. Назаренко (Назаренко, 2002).

Явление гидроморфизма широко распространено во всех природно-климатических зонах. Оно возникает в особых гидрологических условиях при переувлажнении почвенно-грунтовой толщи. Гидроморфные ПТК отличаются от автоморфных тем, что помимо атмосферной влаги в их водном режиме участвует дополнительная влага, поступающая с поверхностными или подземными водами. Природно-территориальные комплексы, формирующиеся в этих условиях — гидроморфные ПТК отличаются наличием полугидроморфных и гидроморфных почв, гидрофильной растительностью, особым рельефом, специфическими гидрогеологическими и гидрохимическими условиями. В степной зоне подобные гидроморфные ПТК принято называть «мочарами» — это народное название «спорадически затопляемого участка местности в автоморфных условиях», а почвы — «мочарными» (Полупан, Нестеренко, Яровенко, 1983).

В почвоведении представление о гидроморфизме и гидроморфных почвах отличается большей разработанностью, чем в ландшафтоведении (Докучаев, 1900; Высоцкий, 1906; Неуструев, 1930; Роде, Ковда, 1939; Роде, 1947; Ковда, 1974, Ковда, Самойлова, 1989 и другие). Некоторые представления, в частности о полугидроморфных ПТК, по-видимому, пришли в ландшафтоведение из почвоведения. В связи с этим при изучении явления современного гидроморфизма одним из основных диагностических признаков при его определении рассматривались гидроморфные почвы.

По определению A.A. Роде (1952) гидроморфная почва — почва, формирующаяся в условиях временного или постоянного пересыщения влагой всего почвенного профиля или его части, часто сопровождающаяся возникновением восходящих потоков, приводящих к выпоту солей на поверхность. Избыток воды стимулирует развитие анаэробных микроорганизмов, способствующих кислотному гидролизу минеральных компонентов и восстановлению железа и марганца. В условиях временного гидроморфизма происходит лишь частичное восстановление железа и марганца и образование в профиле ржавых пятен. В условиях постоянного гидроморфизма железо находится в восстановленной миграционноспособной форме, вследствие чего часть профиля с полным анаэробиозом приобретает зеленовато-голубую окраску. Гидроморфизм диагностируется по окраске почвы или характеру перераспределения растворимых компонентов: оксидов железа и марганца, карбонатов в верхнем метровом профиле при восстановительных условиях среды (Брудастов, 1955; Зонн, 1982).

В степной зоне переувлажнение получило достаточно широкое распространение. В естественных условиях оно представлено обширными массивами лугово-черноземных почв в Центральной черноземной областиподами, солодями и лиманными почвами, развитыми на юге сухой степи Украинысолодями в Западной Сибирислитыми почвами — на Западном Кавказе.

В.В. Докучаев уже в первых своих классификациях 1900 г. разделял почвы избыточного и нормального увлажнения и отмечал присутствие почв избыточного увлажнения в степной зоне. Многие его последователи в той или иной форме считали определяющими гидрологические условия почвообразования. Примером могут служить: классификация Н. М. Сибирцева (1990), в которой он выделил почвы избыточного увлажнения на одном из первых таксономических уровней — в группу интразональных почвклассификация Г. Н. Высоцкого (1906), основанная на гидрологическом режиме почв. В ней он выделил класс «абсолютно интразональных почв», которые нигде не встречаются как зональные.

Впервые термин «гидроморфные почвы «ввел С. С. Неуструев (1930), понимая под ним почвы избыточного (для данной зоны) увлажнения. С. С. Неуструев с термином «гидроморфный» связывал, в сущности, представление о повышенной влажности почвы, полагая, что «гидроморфный процесс» обусловлен «сезонным или постоянным избыточным увлажнением». По С. С. Неуструеву гидроморфные почвы отличаются постоянным или временным переувлажнением, анаэробиозом, нередко гидрогенной аккумуляцией в верхних горизонтах привнесенных веществ.

A.A. Роде (1952, 1984) разработал представление о «нормальном» и «повышенном» увлажнении: увлажнение почвы — процесс поступления в почву влаги независимо от источника последнейнормальное увлажнение — в почву влага поступает только в виде атмосферных осадков и при этом в количестве, не превышающем их суммы характерной для климата данной местностиповышенное увлажнение — случай, когда почва получает какое-то количество влаги сверх указанной нормы. A.A. Роде выделил также различные категории влажности почвы: нормальная — влажность, не превышающая наименьшую влагоемкость (HB) — и повышеннаявлажность, превышающая HB.

Выбор наименьшей влагоемкости (HB), как экологического рубежа, разграничивающего нормальную влажность и повышенную, A.A. Роде обосновывает в основном строением почвенно-грунтовой толщи. Согласно A.A. Роде можно выделить три случая возникновения переувлажнения в степной зоне при нормальном увлажнении в зависимости от строения почвенно-грунтовой толщи. Первый случай — при однородной почвенной толще — это водный режим степных черноземов, каштановых почв, сероземов. Второй случай — при неоднородной почвенно-грунтовой толще, когда верхний горизонт более тяжелого состава сменяется более легким, образуется капиллярно подперто-подвешенная влага, объем которой тем больше, чем больше различия в гранулометрическом составе слагающих толщ и мощность самой верхней толщи. Третий случай — при неоднородной почвенно-грунтовой толще, когда под легким наносом залегает более тяжелый водонепроницаемый слой, в результате инфильтрации и накопления влаги атмосферных осадков образуется водоносный горизонт автохтонных почвенно-грунтовых вод. Период существования автохтонных почвенно-грунтовых вод при нормальном увлажнении зависит от растительного покрова. Каждому фитоценозу на данной почве соответствует определенный режим иссушения и уровень грунтовых вод, поэтому при смене растительного покрова существенно меняется режим увлажнения и иссушения, а, следовательно, — объем и долговечность автохтонных грунтовых вод. Это наблюдение является весьма ценным на наш взгляд, поскольку очевидно, что дополнительное увлажнение, которое получают почвы за счет незасоленных автохтонных почвенно-грунтовых вод, как это имеет место в большинстве ландшафтов Тамбовской равнины способно формировать стабильные повышенные урожаи культур и ими же регулироваться. В обратном случае, при низких урожайностях в почвах остается неизрасходованный запас влаги, которая будет способствовать скорейшему их переувлажнению.

Для проявления гидроморфизма не менее важны микроформы рельефа. Наличие понижений, замкнутых депрессий, через которые идет нкопление атмосферных осадков и пополнение грунтовых вод, создает так называемый «потускулярный» водный режим. Особое положение занимают участки, где дополнительное увлажнение создается аллохтонными грунтовыми водами, влияние которых на влажность почвы может быть двояко: или непосредственное влияние, когда уровень аллохтонных вод находится в пределах почвенного профиля, или они выполняют роль водоупора, подпирая в почвенной толще инфильтрующуюся влагу атмосферных осадков.

Изложив случаи возникновения повышенного увлажнения, A.A. Роде дает свое понимание термину «гидроморфность» почв. Гидроморфными он предлагает называть те почвы, в профиле которых (во всем профиле или только в какой-либо его части) более или менее длительно (т.е. не только в течение того времени, которое необходимо для стекания просачивающейся гравитационной влаги) наблюдается влажность, превышающая наименьшую влагоемкость (Роде, 1984). Последняя может создаваться подпертой влагой (т.е. влагой капиллярной каймы автохтонных или аллохтонных вод) или подперто-подвешенной.

Наиболее устойчивая гидроморфность будет обеспечена притоком аллохтонных грунтовых вод. По мнению A.A. Роде, автохтонные почвенно-грунтовые воды, как правило, обуславливают меньшую степень гидроморфизма. Если их капиллярная кайма проникает в почвенный профиль лишь ненадолго, такие почвы наименования гидроморфных не оправдывают.

По мнению Б. Г. Розанова (1983), в почвах гумидных зон дополнительное увлажнение и соответствующее развитие оглеения в профиле ведет к снижению почвенного плодородия. В субаридных же и аридных зонах дополнительное грунтовое увлажнение в нижней части почвы при отсутствии засоления способствует повышению ее плодородия и росту продуктивности растительности. Эта разница нашла и свое терминологическое выражение: для почв гумидных зон применяется понятие глееватости или заболоченности (полуболотные почвы), а для почв субаридных и аридных зон используется понятие «луговости», хотя по существу это одно и то же явление слабого гидроморфизма, накладывающегося на какой-то основной тип почвообразования .

Таким образом, гидроморфизм следует понимать как явление переувлажнения почв. Он развит во всех природно-климатических зонах, в том числе и степной, где он проявляется в определенных геоморфологических условиях и при определенном сочетании литологической неоднородности или в местах выклинивания автохтонных или аллохтонных грунтовых вод. При этом формируются гидроморфные ПТК с гидроморфными почвами. В пределах выклинивания аллохтонных грунтовых вод диагностируются черноземно-луговые, черноземно-влажнолуговые и лугово-болотные почвы. В пределах понижений, замкнутых депрессий на слабодренированных водоразделах, а также надпойменных террас залегают лугово-черноземные почвы с попеременным промывным десуктивно-выпотным водным режимом.

Ф.Р. Зайдельман (1998) считает, что определяющим фактором возникновения гидроморфных почв является переувлажнение, под которым следует понимать такое их состояние, которое наступает при влажности выше наименьшей влагоемкости. При этом возможны три принципиально различные ситуации: переувлажнение в аэробных условиях, переувлажнение пресными водами в присутствии органического вещества, и, наконец, переувлажнение и формирование признаков почвенного гидроморфизма может происходить под влиянием близко залегающих к дневной поверхности ожелезненных и засоленных грунтовых вод.

Важным критерием при выделении гидроморфных ПТК и классификации гидроморфных почв выступает глубина залегания и режим грунтовых вод. В. А. Ковда (1974, 1981) одним из первых указал на резко различный характер увлажнения почвы, в зависимости от того, лежит ли уровень почвенно-грунтовых вод на глубине 2−3 м от поверхности или глубже этой отметки. На средних и тяжелых породах почвенно-грунтовые воды, лежащие на глубине до 3 м, обеспечивают капиллярное подпитывание почвенной толщи восходящими потоками, на глубине 3−7 м — оно значительно более слабое и обеспечивает несравненно меньший приток влаги. Грунтовые воды более глубокого залегания практически не влияют на почвообразовательный процесс. Таким образом, в первом приближении экологический рубеж между гидроморфными и автоморфными ПТК проводится на основании того, выше или ниже 7 м залегают грунтовые воды.

Во многом опираясь именно на эти положения, разрабатывалась диагностика избыточно влажных почв аридной и субаридной зон. К примеру: по определению Е. М. Самойловой (1981), к типу луговых относятся почвы, образующиеся вне речных пойм в результате дернового и глеевого процессов в условиях повышенного поверхностного обводнения и постоянной связи с почвенно-грунтовыми водами, уровень которых колеблется от 1 до 3 м.

Большое влияние на вопросы диагностики луговых почв оказали работы Н. В. Орловского (1946) по Западной Сибири, который подразделил тип черноземных почв на 4 подтипа: луговые, черноземно-луговые, лугово-черноземные, черноземы. В качестве основного диагностического признака для разделения этих почв он принял уровень верховодки: под луговыми 11,5 м, черноземно-луговыми 2- 2,5 м, лугово-черноземными 3- 4 м, черноземами — более 5 м (цит. по А. Б. Ахтырцеву, 1999).

Этот подход в выделении гидроморфных почв в степной зоне, закрепленный в «Классификации и диагностике почв СССР» (1977) используется и сейчас. Согласно этой классификации луговые почвы определены как образующиеся в результате дернового и глеевого процессов в условиях повышенного поверхностного обводнения и постоянной связи с почвенно-грунтовыми водами вне речных пойм. Распространены они по понижениям рельефа на недренированных равнинах. Почвенно-грунтовые воды в течение вегетационного периода залегают на глубине 1 — 3 м, почвы в пределах верхней метровой толщи оглеены, начиная с гумусового и подгумусового горизонта.

Граничными типами луговых почв по степени увлажнения являются полугидроморфные — лугово-черноземные почвы и полуболотные — лугово-болотные почвы.

Проводимые работы по оценке свойств почв за редким исключением не сопровождаются данными по продуктивности культур. В случаях если агрономическая оценка почв на изучаемой территории и проводилась, то она ориентировалась исключительно на выявление взаимосвязи урожайности и качества продукции с типами почв (Адерихин, Щеглов Д. И, Щеглов А. И, 1974). Такие работы по агрооценке почв не учитывают фундаментального характера распространения почв в пространстве — структуру почвенного покрова. При том, что понятие «почвенных комбинаций» было введено Н. М. Сибирцевым более 100 лет назад (1900). Признано их значение в географии почв на разных уровнях организации, прежде всего, рельефа (Высоцкий, 1906; Захаров, 1910; Неуструев, 1930) и введено понятие «почвенных катен» (Milne, 1935). В нашей стране В. М. Фридландом (1965, 1972, 1984, 1986) разработано учение о «структуре почвенного покрова». За рубежом существует близкая к этому учению концепция «почвенно-ландшафтного анализа (soilscape analysis)» (Hole, Campbell, 1985). На базе учения о структуре почвенного покрова была разработана методология обследования земель посредством объединения видов и разновидностей почв в более крупные, так называемые агропроизводственные группировки почв. В. М. Фридланд разделил агропроизводственные группировки почв на три категории. В первой категории почвы группируются в соответствии с «агрономическими качествами по отношению к какой-либо сельскохозяйственной культуре», во второй — по отношению к определенным экологическим группам культур, в третьей — по «общим растениеводческим качествам». Первые две категории, в которых учитывались четко выраженные запросы растений к почвенным условиям, практиковались довольно ограниченно (для культуры чая, винограда, в какой-то мере — плодовых, овощных). Наибольшее распространение получили общие группировки, построенные на свойствах почв, определяющих их качества как среды для культурных растений. Такие группировки составлены различными способами, с использованием разной терминологии как для отдельных хозяйств, так и регионов, республик (Агроэкологическая оценка земель, 2005).

Существенным недостатком до сих пор практикуемой в России агрооценки почв через агропроизводственные группировки почв при использовании их для формирования систем земледелия является весьма ограниченная оценка и учет геоморфологических, литологических, гидрологических, микроклиматических условий. Почвенный критерий был абсолютизирован в ущерб другим критериям типологии земель, что ограничило ее развитие и возможности применения. Такая методика оценки почв не отвечает современным представлениям и требованиям проектирования современных агротехнологий.

На сегодняшний день убедительно показано, что исходным объектом оценки должен выступать вид земель — элементарный ареал агроландшафта (Кирюшин, 1993) В основе нашей работы мы использовали методологию агроэкологической оценки земель В. И. Кирюшина (1996, 2000, 2004) и принципов идентификации структур почвенного покрова предложенных Н. П. Сорокиной (1992, 1993), Сорокиной, Бондарь (1992), Сорокиной, Кузяковой (2000), Сорокиной, Скляренко (1988). Такая работа была проведена для Новосибирской области (Кирюшин, Власенко, ред. 2002), Владимирского ополья (Кирюшин, Иванов, ред. 2004, Савастру, 1999, Волощук, 2004). Данная методология опирается на работы в Л. Г. Раменского (1938, 1971, Раменский и др. 1956), который при идентификации земель придавал высокое значение оценке современного растительного покрова, занимаясь типологией природных угодий. Методологическое изучение СПП и детальной неоднородности почвенного покрова через продуктивность в лесных биоценозах рассмотрена Л. О. Карпачевским (1977). В последнее время такие работы для полевых культур на высоком методологическом уровне стали проводить Г. С. Куст и др. (2008).

Агроэкологическая оценка полугидроморфных почвенных комбинаций Тамбовской равнины и их влияние на продуктивность сельскохозяйственных культур показывается в работах Ю. П. Паракшина, С. А. Уварова, 1995; Ф. Р. Зайдельмана, A.C. Никифоровой, JI.B. Степанцовой (2002, 2006), С. Б. Сафронова (2008) для объектов в северной лесостепи. В этих работах, однако, нет агроэкологической типизации СПП. В южной лесостепи Тамбовской равнины на текущий момент не было проведено ни агрономической, ни агроэкологической оценки почвенных комбинаций. Исходя из чего, были определены задачи и цели наших исследований.

Выводы.

1. В структуре почвенного покрова южной лесостепи Тамбовской равнины на водораздельных пространствах преобладают луговатои лугово-черноземные почвы, на наименее дренированных участках луговые почвы. Доля этих почв возрастает в связи с увеличением коэффициента увлажнения и под влиянием антропогенной деятельности.

2. В результате исследований макрои мезоструктур почвенного покрова на изучаемой территории по агроэкологическим условиям выделены три основных типа ландшафтов: плакорный, автоморфно-полугидроморфный и полугидроморфный. Два последних преобладают.

3. По совокупности условий мезои микрорельефа и агрономических свойств почв разработана агроэкологическая группировка микроструктур почвенного покрова, включающая: автоморфные, эрозионно-автоморфные, полугидроморфно-автоморфные, полугидроморфно-эрозионные, полугидроморфные, гидроморфные, солонцовые, литогенные и овражно-балочные СПП.

4. Фоновые лугово-черноземные и черноземно-луговые почвы водораздельных территорий близки по агрономическим свойствам к типичным черноземам, но отличаются дополнительным поверхностным и грунтовым увлажнением, что определяет более высокую их продуктивность, особенно в засушливые годы.

5. Режим влаги в агроценозах на черноземно-луговых грунтовоглееватых почвах мелких микрозападин и особенно на черноземно-влажнолуговых почвах крупных микрозападин резко ухудшается по сравнению с фоновыми черноземно-луговыми почвами в связи с локальным переувлажнением и застоем талой воды на поверхности.

6. Почвы микропонижений характеризуются переуплотнением, ухудшением режима фосфора, накоплением закисного железа в теплый период вследствие развития анаэробных процессов.

7. Показано резкое снижение урожайности озимой пшеницы на почвах плоских блюдец и полное выпадение растений на почвах глубоких западин. Причина гибели озимых зерновых является вымокание, и оно не связано с накоплением токсичных продуктов анаэробиозиса, так как значительного снижения ОВП в период гибели растений еще не происходит вследствие низких температур.

8. Установлено снижение урожайности яровых культур на почвах микропонижений, обусловленное ухудшением их физических свойств, фосфатного режима, запаздыванием сроков посева.

9. На основе агрономической оценки СПП и почв разработана агроэкологическая группировка земель южной лесостепи Тамбовской равнины включающая 7 групп: плакорные, эрозионные, автоморфно-полугидроморфные, полугидроморфные, гидроморфные, солонцовые и земли овражно-балочной сети. Утверждаются принципы дифференцированного их использования в отличие от существующих рекомендаций, ориентированных на черноземы.