Агрохимия, 2020, № 10, стр. 65-71

ВВЕДЕНИЕ

Характерное для современного периода усиление техногенного давления на почву в значительной мере связано с расширением строительства магистральных газопроводов (МТ), нередко на землях сельскохозяйственного назначения. Неизбежными последствиями строительства трасс с прокладкой траншей глубиной 2–4 м являются нарушение почвенного покрова и формирование техногенных почв. При заполнении траншеи вскрышным материалом происходит перемешивание генетических горизонтов, почвообразующих и подстилающих пород, свойства которых во многом определяют свойства техногенной почвы. В почвах на покровных суглинках, подстилаемых кислой мореной, отмечено ухудшение физико-химических свойств (возрастание актуальной, обменной и гидролитической кислотности), снижение суммы обменных оснований. При разбавлении техногенных слоев мореной, содержащей карбонаты, наблюдалось снижение кислотности и возрастание суммы обменных оснований. Независимо от свойств почвообразующих пород и специфики изменений физико-химических свойств в техногенных почвах разных климатических зон и разных ландшафтов зафиксировано существенное снижение уровня гумусированности, наиболее характерное для верхних слоев [1–4]. Влияние строительства трасс МТ на качественные характеристики гумусовых веществ, особенности их трансформации на уровне групп, фракций и молекулярных структур следует отнести к малоизученным аспектам проблемы, несмотря на их значимость в решении вопросов рекультивации техногенных почв. Изучение этих вопросов чрезвычайно актуально для дерново-подзолистых почв, неблагоприятные биоклиматические условия формирования которых не обеспечивают оптимального уровня плодородия и экологической устойчивости к негативным воздействиям [5–7].

Цель работы – изучить особенности многолетней динамики параметров почвенно-поглощающего комплекса (ППК), характеристик гумуса, продуктивности фитоценозов на участках производственного поля, нарушенных и не затронутых строительством МТ, во взаимосвязи с изменениями экологической ситуации.

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ

Исследование проводили на дерново-подзолистой среднесуглинистой почве восточной части территории Учебно-опытного почвенно-экологического центра МГУ им. М.В. Ломоносова (Московская обл.). Почвообразующая порода – покровные суглинки на моренных отложениях. Морена представляет собой тяжелый краснобурый суглинок очень плотного сложения с ничтожной водопроницаемостью. И материнская, и подстилающая породы характеризуются кислой реакцией (рН_KCl 4.4–4.8, гидролитическая кислотность – 4–10 смоль(экв)/кг). Исследованный участок – производственное поле площадью 17 га. В 1985 г. через поле проложена траншея магистрального трубопровода глубиной 2.0–2.3 м, шириной 2 м. Нарушение почвенного покрова привело к формированию техногенной почвы с унаследованными от материнской и подстилающей пород свойствами, неблагоприятными для сельскохозяйственных культур. До 2000 г. поле находилось в структуре 4-польного зернотравяно-пропашного севооборота. В 1986–1995 гг. на всей площади поля (в том числе на участках, нарушенных строительством МТ) проведены следующие агромероприятия: в 1986 г. под пропашную культуру внесен торфонавозный компост в количестве 60 т/га; в 1987 и 1994 гг. проведено известкование (по 0.75 и 0.5 Н_г); за период с 1986 по 1995 гг. внесено N340P300K360. С 1996 г. агрохимические средства не применяли. В 2000 г. поле выведено из структуры севооборота с бессменным по настоящее время возделыванием многолетних трав, периодическим проведением поверхностной обработки почвы (дискованием) и кошением трав.

Образцы почв отбирали на участках, нарушенных строительством МТ (трасса), и на участках, не затронутых строительством (контроль). Отбор образцов с глубины 0–20, 20–40 и 40–60 см в пятикратной повторности проведен через 1 год, 10, 15 и 30 лет после строительства МТ. В образцах почв определяли содержание гумуса по Тюрину в модификации Орлова–Гриндель, рН солевой вытяжки – потенциометрическим методом, гидролитическую кислотность – по Каппену, содержание обменных оснований – трилонометрическим методом [8]. Групповой и фракционный состав гумуса определяли по Тюрину в модификации Пономаревой–Плотниковой [9], оптическую плотность фракций гуминовых кислот – по [10]. По результатам анализа фракционного состава гумусовых кислот рассчитывали показатели интенсивности новообразования гуминовых кислот (ГК) и формирования гуматов [11]. Оценку состава гумуса и свойств гуминовых кислот проводили по уточненной системе показателей гумусного состояния [12]. Продуктивность фитоценозов оценивали в годы возделывания злако-бобовых травосмесей с пробной площади 1 м². Статистическая обработка результатов исследования проведена методом вариационного анализа по [13].

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Строительство трассы МТ на дерново-подзолистой почве, сформированной на кислых тяжелосуглинистых породах, привело к глубокому нарушению почвенного покрова с проявлением признаков механической (физической) деградации свойств по сравнению с почвой, не нарушенной строительством. Вследствие разбавления возвращенного на место гумусово-аккумулятивного горизонта материалом из иллювиальных горизонтов, материнской и подстилающей пород в верхней части техногенного профиля наблюдали утяжеление гранулометрического состава преимущественно за счет илистой фракции, что значительно ухудшило физико-химические свойства почвы и условия гумификации.

Параметры ППК и содержание гумуса. В течение 30-летнего периода наблюдений прослежено существенное варьирование параметров кислотно-основного состояния почв нарушенных и контрольных участков и, соответственно, степени выраженности деградационных изменений показателей.

Через 1 год после строительства трассы (1986 г.) в пределах 60-сантиметровой толщи техногенной почвы по сравнению с контролем зафиксировано снижение величин рН_KCl на 9–13%, суммы обменных оснований – на 18–31% увеличение показателей гидролитической кислотности на 36–46% (табл. 1). В этот срок, т.е. в условиях доминирования техногенных воздействий, максимально выраженные признаки деградационных изменений показателей проявились в слое 0–20 см. В связи с образованием вымочек вдоль трассы МТ в последующие сроки исследования наблюдали ухудшение гидрологического режима техногенной почвы, особенно нижней части профиля с менее контрастными изменениями увлажнения.

Негативные изменения показателей кислотно-основного состояния – одного из значимых факторов гумификации – сопряжены с четко выраженными признаками дегумусирования. Снижение содержания гумуса в пределах 40-сантиметрового слоя техногенной почвы (на 20–66 отн. %) прослежено во все исследованные сроки. Максимальное проявление признака деградации гумуса по этому показателю зафиксировано в слое 0–20 см через год после прокладки трассы (1986 г.) – в условиях доминирования техногенных воздействий, не осложненных влиянием факторов иной природы. В последующие сроки исследования (1995, 2000 гг.) наблюдали снижение контрастности почв по содержанию гумуса в слое 0–20 см и возрастание – в слое 20–40 см, что связано со спецификой экологической ситуации в каждом из объектов Ослабление негативного влияния техногенного фактора в слое 0–20 см в значительной мере связано с проведением мероприятий по рекультивации техногенной почвы (в частности, возвращением на исходное место гумусированного слоя). Формирование полноценного профиля было осложнено образованием вымочек вдоль трассы, развитием процесса оглеения, особенно в нижней части техногенного профиля, где изменения увлажнения имели менее контрастный характер.

В те же сроки исследования (1995 и 2000 гг.) в пахотном и подпахотном слоях контрольной почвы зафиксировано снижение содержания гумуса по сравнению с 1986 г., что охарактеризовано как проявление слабой (1995 г.) и средней (2000 г.) степени агрогенной деградации гумуса. Проявление признаков дегумусирования в контрольной почве явилось следствием ослабления мероприятий по агротехническому обслуживанию полей севооборота. Длительное возделывание многолетних трав (2000–2015 гг.) способствовало стабилизации уровня гумусированности в профиле контрольной почвы. Это могло быть следствием возрастания количества поступающих в почву растительных остатков, в основном за счет корневой системы; скошенная надземная масса трав была удалена с поля. В то же время после длительного возделывания травосмесей, т.е. в 2015 г., содержание гумуса в слое 0–20 см техногенной почвы снизилось до уровня 1995 г., предположительно в результате ослабления мероприятий по рекультивации техногенной почвы. В нижней части техногенного профиля сохранялся стабильно низкий уровень гумусированности. Таким образом, характер многолетней динамики содержания гумуса позволил констатировать явное преимущество контрольной почвы над техногенной во все исследованные сроки. Через 30 лет после прокладки трассы, как и через один год, техногенная почва по масштабам потерь гумуса оставалась сильно деградированной.

По литературным материалам (к сожалению, весьма немногочисленным), содержание гумуса в пахотном слое дерново-подзолистой почвы на глинистых покровных отложениях оставалось ниже исходного уровня на 42% через 21 год после строительства МТ [1]; в верхнем слое черноземной почвы содержание гумуса не достигло исходного уровня после 30-летней эксплуатации трубопровода [4].

Фракционно-групповой состав гумуса. В течение 30 лет наблюдений на фоне существенного снижения содержания гумуса в техногенной почве прослежены четко выраженные признаки дегумификации, т.е. ослабления процесса гумификации на разных стадиях, приводящего к уменьшению содержания и изменению состава гуминовых кислот, упрощению их структуры, усилению признака фульватного характера превращения органического вещества, в конечном итоге, ухудшению качества гумуса. Отклонения качественных характеристик гумуса от контрольных показателей в разные периоды исследования существенно варьировали в зависимости от экологической ситуации в каждом из объектов и характера их ответных реакций.

Во все сроки исследования интенсивность первой стадии гумификации (или новообразования ГК) в пределах 40-сантиметрового слоя техногенной почвы была меньше контроля на 5–59% с проявлением максимальной контрастности показателей (56–59%) через 1 год после прокладки трассы (табл. 2).

Характерной особенностью техногенной почвы была очень низкая активность 2-й стадии гумификации – стадии полимеризации гумусовых структур, или формирования гуматов. Максимально выраженное снижение интенсивности этой стадии (4–5-кратное) зафиксировано в слоях 0–20 и 20–40 см через 1 год после строительства МТ (1986 г.). Через 10 и 15 лет (1995, 2000 гг.) в слое 20–40 см техногенной почвы отмечено полное ингибирование процесса и отсутствие гуматов (табл. 3). Некоторая активизация процесса и появление гуматов в слое 20–40 см зафиксированы после многолетнего возделывания злаково-бобовых травосмесей.

С ослаблением обеих стадий гумификации в техногенной почве тесно были связаны и более низкие показатели степени и глубины гумификафии. В разные сроки исследования общее содержание ГК уступало контрольным показателям на 9–52 отн. %. Максимальные величины отклонений (46–52%) зафиксированы через 1 год после прокладки трассы, в период наибольшего ослабления обеих стадий гумификации. В последующие сроки исследования (1995, 2000 гг.) контрастность почв по содержанию ГК в слое 0–20 см снизилась, в слое 20–40 см оставалась на высоком уровне вследствие образования вымочек и ухудшения условий гумификации в нижней части техногенного профиля. После многолетнего возделывания травосмесей прослежена тенденция к стабилизации показателей (табл. 2).

При значительных отклонениях степени гумификации от контрольных показателей (по нашим данным, не менее чем на 20%) наблюдали неблагоприятную смену типа гумуса с понижением уровня признака на 1–3 градации в зависимости от величины отклонений. Четко выраженная смена фульватно-гуматного типа гумуса на очень фульватный с понижением уровня признака на 3 градации отмечена в слое 0–20 см через 1 год после строительства трассы, что соответствовало максимальным величинам ослабления обеих стадий гумификации и снижения степени гумификации.

Оптическая плотность фракций гуминовых кислот. Общее содержание ГК в техногенной почве во все периоды наблюдений снижалось за счет фракций ГК-1 (на 33–64%) и ГК-2 (на 24–45%), что ухудшило агрономическую ценность гумуса. К тому же более низкие величины оптической плотности (Е_с) ГК-1 и ГК-2 свидетельствовали об упрощении их структуры. Отклонения от контроля показателей Е_с фракций ГК-1 и ГК-2 в слое 0–20 см варьировали в пределах 18–24 и 5–20% (табл. 3), максимальные величины отклонений, как и других качественных характеристик гумуса, зафиксированы через 1 год после строительства трассы (1986 г.). Отклонения от контроля показателей Е_с фракции ГК-1 в слое 20–40 см варьировали в пределах 27–54% с проявлением максимума через 15 лет (2000 г.). Многолетняя динамика Е_с фракции ГК-2 в слое 20–40 см не прослежена, поскольку в 1995 и 2000 гг. гуматы в этом слое не были обнаружены.

Биопродуктивность почвы. Различия в параметрах плодородия почв контрольных и нарушенных строительством трассы участков отражены в уровне их биопродуктивности. В первые несколько лет после строительства (1987–1989 гг.) на участках, приуроченных к трассе, наблюдали выпад сельскохозяйственных культур и даже сорной растительности (рис. 1). Через 10 лет (1995 г.) на отдельных участках трассы появились единичные куртинки клевера и злаков, урожайность которых была меньше контроля более чем в 6 раз. Через 15 лет (2000 г.) куртинки низкорослого клевера (высотой 6–10 см) составляли ≈20% проективного покрытия; редкие злаковые растения имели высоту 10–15 см. На контрольных участках клевер (высотой 50–60 см) составлял 55–60% проективного покрытия; высота злаковых растений достигала 1 м. Общий вес зеленой массы растений в 3.3 раза превысил величины, характерные для участков трассы. В период функционирования поля вне севооборота в условиях многолетнего возделывания травосмесей и ослабления механического воздействия на почву контрастность показателей снизилась до 2.3–2.5-кратного превышения контроля над нарушенными участками. От 85 до 92% вариабельности урожайности трав и на контрольных (НСР₀₅ = 16 ц/га), и на нарушенных участках (НСР₀₅ = 20 ц/га) обусловлено количеством осадков за вегетационный период, что по шкале Чеддока оценивается как весьма высокая корреляционная зависимость между признаками [14]. Наиболее высокие показатели в обоих случаях зафиксированы в 2013 и 2015 гг., когда количество осадков в 1.7–1.8 раза превысило среднюю многолетнюю норму.

Рис. 1.

Урожайность зеленой массы трав.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В дерново-подзолистой почве, нарушенной строительством трассы магистрального трубопровода (глубина 2.0–2.3 м), выявлены отчетливо выраженные негативные изменения показателей кислотно-основного состояния, характеристик гумуса, продуктивности фитоценозов в результате нарушения почвенного покрова, перемешивания генетических горизонтов с почвообразующей и подстилающей породами, характеризующимися неблагоприятными физическими и химическими свойствами.

В течение 30-летнего периода исследования наблюдали существенное варьирование показателей свойств техногенной и контрольной почв в зависимости от специфики экологической ситуации в каждом из объектов, соответственно, с проявлением разной степени выраженности признаков деградации.

Четко выраженная реакция на изменение экологических условий во времени (с учетом действия техногенного, агрогенного, гидрологического факторов) прослежена в отношении характеристик гумуса. Признаки дегумусирования (снижение содержания и запаса гумуса) и дегумификации (ухудшение качества гумуса на уровне групп и фракций гумусовых кислот и молекулярных структур гуминовых кислот) зафиксированы во все сроки исследования, но с разной степенью выраженности в зависимости от природы доминирующих воздействий. Наибольшие потери органического вещества и максимально выраженные признаки деградации его качества зафиксированы через один год после строительства (1986 г.) в слое 0–20 см в условиях доминирования техногенных воздействий. В последующие сроки исследования более высокий уровень в проявлении признаков деградации гумуса отмечен в слое 20–40 см, что явилось следствием образования вымочек вдоль трассы, развития оглеения и проявления вторичных деградационных процессов химической (физико-химической) природы. В специфическом характере многолетней динамики продуктивности фитоценозов помимо техногенных и агрогенных воздействий четко было отражено влияние метеорологического фактора.