Почвоведение, 2019, № 2, стр. 171-183

ВВЕДЕНИЕ

Почвенный агрегат – уникальное природное образование, придающее почве форму структурной иерархической организации, которая лежит в основе всех функций почвы [1, 4, 9, 15 ]. Основу клеящего вещества при связывании элементарных почвенных частиц и образовании почвенного агрегата выполняют гумусовые вещества, микроорганизмы, гифы грибов, ил, катионы Са²⁺ др. [4, 23, 26 ]. При анализе концептуальной модели иерархии структурных отдельностей установлена взаимосвязь между агрегатным состоянием почвы и качеством и количеством органического вещества почвы [36]. Поскольку макроагрегаты содержат микроагрегаты и органическое вещество, которое их связывает, то и количество углерода органических соединений улучшается в соответствие со степенью увеличения размера агрегатов [29].

В составе агрегатов находится приблизительно около 90% углерода органических соединений верхнего горизонта почвы, причем 60–80% – в виде макроагрегатов [31, 36]. В связи, с чем разрушение почвенных агрегатов является одной из доминирующих причин при потере углерода органических соединений и снижения качества почвы, используемой в земледелии [13, 28].

В то же время в более мелких агрегатах пахотных почв из-за их большей доли аккумулируется почти столько же углерода органических соединений, что и в непахотных почвах [20]. Потери углерода органических соединений из почвы преимущественно обусловлены разрушением макроагрегатов, чем микроагрегатов [33]. Это объясняется тем, что макроагрегаты более насыщены органическим веществом, так как содержат как органическое вещество в микроагрегатах, так и те органические компоненты, которые способствуют связыванию микроагрегатов между собой. Вместе с тем наблюдается меньшая стабильность и большая восприимчивость к любым физическим воздействиям макроагрегатов по сравнению с микроагрегатами.

Склоновые земли претерпевают потерю органического вещества, как вследствие минерализации, так и под влиянием эрозионных процессов [17, 22]. Это в свою очередь может привести к ухудшению структурного состояния, снижению водоустойчивости структурных отдельностей. В результате деградации структурного состояния произойдет разрушение макроагрегатов до микроагрегатов, и в последствие они уже распадутся до элементарных почвенных частиц [2, 34].

Рассмотренные процессы и закономерности структурообразования определяются сложившимися агроэкологическими условиями, такими как экспозиция склона, степень эродированности, местоположение в рельефе и др. Изучая взаимосвязь углерода органических соединений и структурного состояния в различных агроэкологических условиях, сможем понять механизм участия углерода органических соединений в процессе структурообразования чернозема типичного в агроценозах на склонах, что поможет при решении задач прогнозирования изменения, сохранения или восстановления агрегатной структуры черноземов.

Еще Докучаев в своей книге “Наши степи прежде и теперь” [6] писал “… факторы, лежащие в основе сельского хозяйства, до такой степени связаны между собой …, что как при изучении … так и, особенно, при овладении ими безусловно необходимо иметь в виду, по возможности, всю единую, целую и неразделимую природу, а не отдельные ее части. Иначе мы никогда не сумеем управлять ими”.

Цель работы – выявление взаимосвязи углерода органических соединений и структурного состояния типичных черноземов различной степени эродированности.

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ

Исследования проводили на территории опытного поля Всероссийского НИИ земледелия и защиты почв от эрозии (Курская область, Медвенский район). Объектами исследования были черноземы типичные мощные и среднемощные малогумусные тяжелосуглинистые иловато-крупнопылеватые на лёссовидном суглинке разной степени эродированности [11] или агрочерноземы миграционно-мицилярные высоко-, средне- и глубококарбонатные среднегумусированные тяжелосуглинистые на лёссовидном суглинке [12], Haplic Chernozems (Loamic, Aric, Pachic) [37].

Почвенные разрезы (21 шт.) закладывали на северном и южном склонах: при уклоне 1° – 6 разрезов, 3° – 6 разрезов, 5° – 6 разрезов и в центральной части водораздельного плато – 3 разреза. Высоту над уровнем моря и координаты мест закладки почвенных разрезов определяли с помощью GPS-навигатора (рис. 1).

Рис. 1.

Местоположение точек проведения исследований на опытном поле ВНИИЗиЗПЭ, Курская обл., Медвенский район в системе координат UTM: 37V 5724729 301017–37V 5741269 318990 (51°31′ N, 36°07′ E).

Категорию почв по степени смытости устанавливали по уменьшению мощности гумусового (А_пах + А + АВ) горизонта (табл. 1) (по классификации Сурмача [21] для черноземов с эталоном мощности >65 см при сокращении до 30% – слабосмытые; 30–60% – среднесмытые; 60–80% – сильносмытые; 80–100% – весьма сильносмытые) и по уменьшению содержания гумуса и запасов гумуса для черноземов в слое 0–50 см по сравнению с несмытой почвой (по классификации Заславского [8] снижено на 10–20% – слабосмытые; 20–50% – среднесмытые; >50% – сильносмытые). Таким образом, чернозем типичный на склоне северной экспозиции при уклоне 1° и 3° характеризуется как слабосмытый, а при 5° – как среднесмытый, на южном склоне при уклоне 1° – слабосмытый, а при 3° и 5° – как среднесмытый.

Из каждого почвенного разреза в средней части каждого горизонта (А_пах, А, АВ) отобрали по три ненарушенных монолитных образца, средняя масса образца 3.5–4 кг (189 образцов), мощность отобранных монолитов соответствовала мощности анализируемого горизонта. В образцах ненарушенного строения провели сухое и мокрое просеивание по методу Саввинова [3] (сухое просеивание – 189 образцов, для мокрого просеивания составляли среднюю пробу массой 50 г из всех фракций агрегатов, полученных при сухом просеивании в трехкратной повторности, соответственно – 567 образцов). Отдельно из воздушно-сухих агрегатов 3–1 мм выделяли водоустойчивые агрегаты <3 мм по Н.И. Саввинову в модификации Хана [24] в трехкратной повторности – 567 образцов. В работе представлены средние данные. Формирование статистической выборки осуществляли исходя из повторностей определения и количества разрезов.

Содержание углерода органических соединений в нефракционированной почве и в выделенных структурных отдельностях проводили по ГОСТ 26213-91. Определение подвижных гумусовых веществ (ПГВ) и их состав в 0.1 М вытяжке NaOH проводили по методике Почвенного института с предварительным компостированием [19] в водоустойчивых агрегатах <3 мм, полученных из воздушно-сухих агрегатов 3–1 мм чернозема типичного.

Индекс агрегированности [30] рассчитывали по формуле: W = ∑PiQi, где Pi – содержание фракций агрегатов i-того размера, %; Qi – “весовая величина”, которой наделены фракции водопрочных агрегатов в соответствии с их ролью в формировании агрономически ценной структуры почвы, равная 0 – для фракции >10 мм; 1 – для 10–7 мм; 3 – для 7–5 мм; 8 – для 5–3 мм; 10 – для 3–1 мм; 5 – для 1–0.5 мм; 3 – для 0.5–0.25 мм и 0 – для <0.25 мм.

Экспериментальные данные обрабатывали методами математической статистики [5, 7] с использованием программных средств Microsoft Office Excel, Statistica. Оценку корреляционной зависимости проводили по шкале Чеддока [14]: 0.1–0.3 – слабая, 0.3–0.5 – умеренная, 0.5–0.7 – заметная, 0.7–0.9 – высокая, 0.9–0.99 – весьма высокая.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

В результате проведенного сухого просеивания почвенных образцов (рис. 2) выход структурных отдельностей 10–0.25 мм составил в среднем 68 ± 1.9%, агрегатов >10 мм 24 ± 0.7% и почвенных частиц <0.25 мм 8 ± 1.4% от массы почвы. На долю агрономически ценных агрегатов 3–1 мм от массы почвы приходилось 23 ± 0.6%, что наряду с почвенными комками >10 мм составляло около 50%, в то же время выход агрегатов 1–0.5 мм от массы почвы был минимальный (3 ± 0.7%).

Рис. 2.

Структурно-агрегатный состав (сухое просеивание) чернозема типичного в различных агроэкологических условиях.

В пахотном горизонте несмытого и слабосмытого чернозема типичного содержание агрегатов 3–1 мм было наибольшим, а в гор. А и АВ в зависимости от экспозиции склона подчеркивается преобладающее количество агрегатов >10 и 3–1 мм. В среднесмытой почве независимо от генетического горизонта и экспозиции склона установлено максимальное содержание агрегатов >10 мм. Вместе с тем наблюдается достоверное различие количества структурных отдельностей в гор. А_пах, А и АВ (Р = 0.95), и отсутствие значимых различий содержания структурных отдельностей на полярных склонах различной степени эродированности.

При оценке почвенной структуры чернозема типичного установлено, что чернозем типичный несмытый обладает отличным [10, 25] структурным состоянием (коэффициент структурности 2.2–2.9) и отличной водоустойчивостью (по И.В. Кузнецовой (1979) для тяжелосуглинистых почв) сумма водоустойчивых агрегатов составляет 68–70% (табл. 2).

На склоне северной экспозиции с увеличением степени эродированности происходит ухудшение структурного состояния (коэффициент структурности снижается с 2.7 до 1.5), причем водоустойчивость существенно не изменяется. В связи с повышенным содержанием карбонатов кальция в почве на южном склоне, как вниз по почвенному профилю, так и по склону, прослеживается улучшение структурного состояния (коэффициент структурности увеличивается с 2.3 до 3.2) и водоустойчивости (сумма водоустойчивых агрегатов повышается с 60 до 78%).

С увеличением степени эродированности чернозема типичного на южном склоне в гор. А_пах установлен рост индекса агрегированности, что свидетельствует о повышении в составе водоустойчивых агрегатов количества структурных отдельностей 3–1 и 5–3 мм. Агрегаты данного размера играют важную роль в формировании агрономически ценной структуры, поэтому наделены наибольшей весовой величиной (соответственно 10 и 8). Средневзвешенный диаметр водоустойчивых агрегатов в почве на южном склоне с увеличением степени эродированности возрастает в 2.9–4.1 раза. Это, вероятно, обусловлено более интенсивным смывом неводоустойчивых агрегатов и накоплением водоустойчивых, на что обращают внимание и другие исследователи [18], а также подтверждается увеличением количества водоустойчивых агрегатов 5–3 и 3–1 мм в почве и значений индекса агрегированности. В пахотном горизонте чернозема типичного на северном склоне с ростом степени эродированности почвы изменение индекса агрегированности было несущественным. Наряду с этим средневзвешенный диаметр водоустойчивых агрегатов увеличивается в 2.5–2.8 раза.

Содержание С_орг в изучаемых воздушно-сухих агрегатах чернозема типичного в горизонтах А_пах, А и АВ, как и в нефракционированной почве закономерно уменьшается в ряду: несмытая → слабосмытая → среднесмытая (табл. 3).

Максимальное содержание С_орг выявлено в несмытой почве в пахотном горизонте в структурных отдельностях 3–1 мм (3.31%), в гор. А в агрегатах 7–5, 3–1 и 0.5–0.25 мм (3.04%). В гор. АВ преобладающее количество С_орг установлено в агрегатах 5–3 и 0.5–0.25 мм (2.17%) среднесмытой почве на южном склоне.

С помощью коэффициента корреляции была установлена прямая умеренная и заметная связь (r = 0.33–0.62) углерода органических соединений с суммой водоустойчивых агрегатов, индексом агрегированности, средневзвешенным диаметром воздушно-сухих и водоустойчивых агрегатов в пахотном горизонте.

По выходу структурных отдельностей от массы почвы и содержанию углерода органических соединений в воздушно-сухих агрегатах рассчитана доля вклада углерода органических соединений каждой фракции в общий углерод органических соединений почвы (рис. 3).

Рис. 3.

Доля вклада углерода органических соединений структурных отдельностей (сухое просеивание) в общий углерод органических соединений чернозема типичного.

В среднем доля вклада углерода органических соединений агрегатов разного размера в общий углерод органических соединений чернозема типичного тяжелосуглинистого варьировала в гумусовом горизонте от 2 до 34% от массы выхода структурных отдельностей в зависимости от их размера, количества, экспозиции склона и степени эродированности почвы. Наибольший вклад в общий углерод органических соединений почвы вносит углерод органических соединений агрегатов размером >10 и 3–1 мм.

В гумусовом горизонте выход структурных отдельностей 3–1 мм и вклад углерода органических соединений агрегатов данного размера в среднем в 1.2–3.6 раза выше по сравнению с агрегатами 10–3 и <1 мм, что свидетельствует о ценности агрегатов 3–1 мм как важного компонента структурного состояния чернозема типичного.

Наименьшая доля вклада углерода органических соединений структурных отдельностей в общий углерод органических соединений чернозема типичного выявлена для структурных отдельностей размером 1–0.5 мм. Данная закономерность прослеживается во всех горизонтах независимо от экспозиции, градуса уклона и степени эродированности.

При увеличении степени эродированности в пахотном слое почвы на склонах северной и южной экспозиций доля вклада углерода органических соединений агрегатов 3–1 мм в С_орг почвы снижается в слабосмытой почве в 1.2–1.4 раза, в среднесмытой – в 1.5–1.7 раза по сравнению с несмытой.

По отношению к доле вклада углерода органических соединений агрегатов >10 мм хочется отметить, ее рост при увеличении степени эродированности за счет повышения выхода агрегатов данного размера после проведения сухого просеивания, что характерно для эродированных почв.

Рассматривая фракцию >10 мм хочется отметить следующее; во первых данная фракция не является агрономически ценной, во-вторых агрегаты размером >10 мм как правило не обладают водоустойчивостью состоят как правило из агрегатов меньшего размера. Поэтому для проведения оценки водоустойчивости нами были выбраны именно агрегаты размером 3–1 мм.

После проведения мокрого просеивания воздушно-сухих агрегатов 3–1 мм установлено, что почвенные частицы <0.25 мм составляли 40.8–63.7% в гор. А_пах, А и АВ независимо от агроэкологических условий (рис. 4).

Рис. 4.

Результаты мокрого просеивания воздушно-сухих агрегатов размером 3–1 мм чернозема типичного в различных агроэкологических условиях.

С увеличением степени эродированности на северном склоне в гор. А_пах, А выявлено уменьшение содержания агрегатов 3–0.5 мм в 1.1–2.1 раза и повышение количества агрегатов <0.5 мм в 1.1–2.0 раза по сравнению с неэродированной почвой. На южном склоне в гор. А_пах по сравнению с неэродированной почвой в слабосмытой почве при уклоне 1° подчеркивается снижение содержания водоустойчивых агрегатов 3–1 мм на 9%. В среднесмытой почве южного склона по сравнению со слабосмытой установлено увеличение содержания водоустойчивых агрегатов 3–1 мм на 16%. В гор. А_пах, А с увеличением степени эродированности почвы содержание фракции <0.25 мм возросло в 1.2–1.7 раза, а количество агрегатов 1–0.5 мм в гор. А_пах и агрегатов 3–0.5 мм в гор. А – уменьшилось в 1.3–2.4 раза.

В выделенных водоустойчивых агрегатах чернозема типичного определяли количество С_орг (табл. 4). Изучение агрегатов <3 мм показало, что общей закономерностью для них является обеднение фракции <0.25 мм углеродом органических соединений (С_орг) в гор. А_пах, А и АВ после мокрого просеивания, независимо от экспозиции склона и степени эродированности. В водоустойчивых агрегатах чернозема типичного с уменьшением их диаметра прослеживается тенденция к снижению содержания С_орг, коэффициент корреляции между размером агрегатов и содержанием С_орг составил 0.66–0.95. Аналогичная закономерность встречается в работах ряда исследователей [13, 16, 24, 34, 36], которая характерна для почв, где связующим агентом при формировании водоустойчивых агрегатов служит органическое вещество.

В гор. А_пах чернозема типичного среднесмытого при уклоне 5° на полярных склонах в водоустойчивых агрегатах 3–0.25 мм выявлено уменьшение содержания С_орг по сравнению с неэродированным на 13–19%. В гор. А чернозема типичного в водоустойчивых агрегатах <3 мм наблюдается снижение количества С_орг по сравнению с несмытой почвой в слабосмытой – на 10–25% и в среднесмытой – на 8–32%. В гор. АВ выявлено увеличение содержания С_орг на северном склоне в водоустойчивых агрегатах 3–1 мм слабосмытой почве на 9% и в среднесмытой на 25% по сравнению с неэродированным черноземом. Определена достоверность различий содержания С_орг в водоустойчивых агрегатах в гумусовом горизонте при уровне вероятности Р = 0.95 для всех изучаемых факторов.

В последнее время большое значение уделяется участию свежепоступающего органического вещества в процессе формирования водоустойчивых агрегатах [29, 32, 35]. Как известно, подвижные гумусовые вещества (ПГВ) – наиболее трансформируемая часть гумуса, обогащенная азотом, являющаяся источником энергии и питательных элементов для растений, микроорганизмов [19]. Поэтому было определено содержание углерода подвижных гумусовых веществ (С_ПГВ) в водоустойчивых агрегатах 3–0.25 мм и неводоустойчивых фракциях <0.25 мм для выявления в них особенностей качественного состава органического вещества (рис. 5).

Рис. 5.

Содержание С_ПГВ (% от массы структурных отдельностей) во фракциях мокрого просеивания воздушно-сухих агрегатов 3–1 мм чернозема типичного в различных агроэкологических условиях.

В почве северного склона доля ПГВ в составе органического вещества больше по сравнению с южным, что обусловлено повышенной численностью микроорганизмов на южном склоне, способных разлагать подвижную часть гумуса. По имеющимся данным [24] численность таких микроорганизмов по отношению к водоразделу на южном склоне составляет 132–145%, а на северном – 65–80%. Для гор. А_пах с повышением степени эродированности от слабо- до среднесмытой почвы характерно снижение доли ПГВ на северном – в 1.2–1.4 раза, а на южном склоне – в 1.2–1.8 раза. На северном склоне в гор. А чернозема типичного среднесмытого доля ПГВ в составе органического вещества была на 10–15% больше, чем в слабосмытой почве, а на южном – наоборот: в 1.2–1.8 раза меньше в среднесмытом черноземе типичном, чем в слабосмытом.

Рассматривая долю вклада углерода органических соединений структурных отдельностей в углерод органических соединений почвы в различных агроэкологических условиях, можно прийти к заключению, что не все органическое вещество почвы участвует в образовании водоустойчивых агрегатов, а только его активная часть. Используя метод Хана [24], по разнице между содержанием С_орг в макро- и микроагрегатах определяли приблизительное количество углерода органических соединений (активная часть), участвующего в создании водоустойчивой макроструктуры (табл. 5).

Выявлено, что с увеличением количества активной части С_орг, участвующей в образовании водоустойчивых агрегатов возрастает диаметр водоустойчивых агрегатов с 0.5–0.25 до 3–1 мм в гор. А_пах, А и АВ на водораздельном плато, склоне северной экспозиции независимо от степени эродированности, в среднесмытой почве южного склона (5°), а также в гор. А_пах и АВ в слабо- и среднесмытой почве южного склона (1° и 3°). В черноземе типичном слабо- и среднесмытом на южном склоне при уклоне 1° и 3° в гор. А установлен сбой выявленной закономерности.

Это, вероятно, связано с присутствием карбонатов кальция, которые оседают на тонких фракциях почвы и скрепление элементарных почвенных частиц идет по карбонатному типу твердения, способствуя образованию или укреплению микроагрегатов на различных уровнях почвенной структуры. В слабо- и среднесмытой почве южного склона содержание, как карбонатов кальция, так и фракций ила и мелкой пыли в гор. А было больше чем, в других объектах исследования. Наибольшее количество карбонатов содержится, как правило, в тонких фракциях ила и мелкой пыли, что подчеркивает Воронин [4]. Вероятно, в образовании почвенных агрегатов 3–1, 1–0.5 мм на южном склоне большую роль играет карбонат кальция.

ВЫВОДЫ

1. Выход структурных отдельностей 10–0.25 мм в среднем составил 68 ± 1.9%, на долю агрономически ценных агрегатов 3–1 мм приходилось 23 ± ± 0.6% от массы почвы. Наилучшим структурным состоянием обладал чернозем типичный неэродированный и слабоэродированный по сравнению со среднеэродированным.

2. В гумусовом горизонте выход структурных отдельностей 3–1 мм и вклад углерода органических соединений агрегатов данного размера в среднем в 1.2–3.6 раза выше по сравнению с агрегатами 10–3 и <1 мм, что свидетельствует о ценности агрегатов 3–1 мм как важного компонента структурного состояния чернозема типичного. Наименьшая доля вклада углерода органических соединений структурных отдельностей в общий углерод органических соединений чернозема типичного выявлена для структурных отдельностей размером 1–0.5 мм.

3. Независимо от степени эродированности чернозема типичного отмечена тенденция к росту диаметра водоустойчивых агрегатов при повышении в них углерода органических соединений (r = 0.66–0.95).

4. В черноземе типичном независимо от изучаемых агроэкологических условий выявлена тенденция увеличения количества ПГВ с повышением размера водоустойчивых структурных отдельностей, что говорит о существенном вкладе ПГВ в формировании водоустойчивой структуры чернозема. В то же время выявлено четкое преобладание С_ПГВ в водоустойчивых агрегатах на северном склоне по сравнению с южным.

5. Установлено, что с увеличением активной части С_орг, участвующей в создании водоустойчивых агрегатов, диаметр водоустойчивых агрегатов возрастает от 0.5–0.25 до 3–1 мм. Эта закономерность сохраняется в черноземе типичном в гор. А_пах и А на водораздельном плато, северном склоне и в гор. А_пах на южном склоне независимо от степени эродированности. На северном склоне в формировании водоустойчивых агрегатов 3–0.25 мм участвует большее количество активной части С_орг, чем на южном. При повышении степени эродированности в черноземе типичном установлен рост участия активной части С_орг в образовании водоустойчивых агрегатов 3–1 мм на северном склоне в 1.2–1.5 раза в гор. А_пах и А, а на южном склоне данная закономерность определено только в гор. А.