4 ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы. Известно, что органическое вещество почв играет огромную роль в плодородии. Известно также, что содержание органического вещества в почве снижается под влиянием антропогенных воздействий. Ускоренная дегумификация органического вещества ухудшает физические свойства почвы, при недостатке в почве свежего гумуса не восстанавливается структура почвы, которая разрушается под влиянием тяжелой техники. Превращение органических остатков в гумус и увеличение содержания элементов питания необходимо для функционирования различных агроценозов. Особенно это важно в условиях, где на естественный ход почвообразования накладываются деградационные процессы, связанные, в частности, с водной эрозией, что имеет место в условиях подзоны умеренно-засушливой и колочной степи Предалтайской провинции.
В настоящее время уделяется большое внимание адаптивно-ландшафтному земледелию в условиях элементарных агроландшафтов, однако процессы связанные с органическим веществом почвы, мобилизацией подвижных питательных веществ и формирование урожайности в условиях элементарных агроландшафтов изучены слабо.
В связи с этим были сформулированы цель и задачи исследований.
Цель исследования: изучить особенности состава органического вещества пахотных почв элементарных агроландшафтов, установить его влияние на мобилизацию подвижных питательных веществ и эффективное плодородие господствующего агроценоза в условиях подзоны умеренно-засушливой и колочной степи Предалтайской провинции. Для достижения данной цели были поставлены и решены следующие задачи:
1. Изучить преобладающие почвы элементарных агроландшафтов, дать их морфологическую, физико-химическую характеристики.
2. Установить количество органических остатков и степень их разложения в пахотном слое почв элементарных агроландшафтов.
5
3. Определить влияние степени разложения органических остатков на урожайность яровой пшеницы.
4. Выявить влияние элементарных агроландшафтов на урожайность яровой пшеницы.
5. Установить особенности качественного состава гумуса в пахотных горизонтах преобладающих почв элементарных агроландшафтов.
6. Изучить мобилизацию подвижных элементов питания в пахотных почвах элементарных агроландшафтов под яровой пшеницей, и динамику за вегетационный период.
7. Установить влияние гумуса и его качественного состава на мобилизацию подвижных элементов питания и урожайность яровой пшеницы в условиях элементарных агроландшафтов.
8. Определить долю влияния органических остатков, гумуса и подвижных питательных веществ в формировании урожайности зерна яровой пшеницы.
Защищаемые положения.
1. Наибольшее содержание общего количества органических остатков формируется в почвах водоразделов, южных и юго-западных склонов, меньше их накапливается в почвах северных, северо-восточных, юго-восточных экспозиций. Степень разложения органических остатков происходит в этом же порядке.
2. Количество органических остатков под яровой пшеницей, их превращение в гумус, влияние на мобилизацию подвижных питательных веществ в элементарных агроландшафтах различно, что определяет формирование различных уровней урожайности возделываемых культур.
Научная новизна. Для пахотных черноземов подзоны умеренно-засушливой и колочной степи Предалтайской провинции в элементарных агроландшафтах информационно-логически определено влияние гумуса и его качественного состава на мобилизацию подвижных форм питательных веществ. Установлена связь между общим содержанием органических остатков, компонентами гумуса в почве и урожайностью зерна яровой
6
пшеницы. Изучено влияние элементарных агроландшафтов на образование гумуса, его качественного состава, подвижных элементов питания и изменение урожайности по склонам. Разработана модель урожайности зерна яровой пшеницы. На основе моделирования установлена доля влияния свежих органических остатков и гумуса почв на урожайность зерна яровой пшеницы. Органические остатки в почве определяют 30% урожайности, содержание гумуса определяет 41 % урожайности зерна яровой пшеницы.
Практическая значимость работы. Выводы по работе могут быть использованы в хозяйствах для сохранения плодородия почв, склоновых земель подзоны умеренно-засушливой и колочной степи Предалтайской провинции.
Апробация диссертации. Материалы диссертации были доложены на восьмой Международной научной школы - конференции студентов и молодых ученых- Экология Южной Сибири и сопредельных территорий Абакан (2004г); на научно-практических конференциях профессорско-преподавательского состава АГАУ (2004г); на межрегиональной научно-практической конференции «Выставке -Ярмарке» Барнаул (2004г). По материалам диссертации опубликовано 7 научных статей.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, предложений производству и списка литературы. Содержание изложено на 120 страницах машинописного текста, включая 7 таблиц, 27 рисунков. Список литературы состоит из 200 наименований, из них 11 на иностранном языке.
Автор выражает глубокую признательность заведующей кафедрой почвоведения и агрохимии ФГОУ ВПО «Алтайского государственного аграрного университета», доктору сельскохозяйственных наук, профессору Л.М. Бурлаковой за чуткое руководство, помощь в написании работы, так же кандидату биологических наук, доценту Е.Г. Пивоваровой за советы и консультации, коллективу кафедры почвоведения и агрохимии ФГОУ ВПО
«Алтайского государственного аграрного университета» за поддержку в процессе выполнения работ.
ГЛАВА 1. ПРИРОДНЫЕ И ПОЧВЕННЫЕ УСЛОВИЯ ПОДЗОНЫ
УМЕРЕННО-ЗАСУШЛИВОЙ И КОЛОЧНОЙ СТЕПИ
ПРЕДАЛАЙСКОЙ ПРОВИНЦИИ
1.1. Климат
Исследования проводили в двух хозяйствах ОПХ АГАУ «Пригородное» Первомайского района и КГУП «Центральное» Калманского района, расположенных в подзоне умеренно-засушливой и колонной степи Предалтайской провинции. Климат данной территории является континентальным. Отличается он жарким, но коротким летом, холодной малоснежной зимой с сильными ветрами и метелями. Континентальность климата наиболее ярко подчеркивается появлением поздних весенних и ранних осенних заморозков.
Самый холодный месяц январь. Средняя температура воздуха в январе -15°С. Абсолютный минимум температуры в отдельные годы достигает -53°. Характеристики теплого периода представлены в табл. 1.
Таблица 1 Характеристика теплого периода
Периоды
Начало Конец Продолжительность, дни Сумма положительных температур
Безморозный период
20-30/V 5-15/IX 110-115
С температурой выше 0°
9-12/1V 22-25/Х 190-200 2350-2500
С температурой выше 5°
22-26ЛУ 5-9/Х 160-170 2250-2450
С температурой выше 10°
7-14/V 16-21/IX 125-135 2000-2200
С температурой выше 15°
27/V-4/VI 25/VIH-1/1X 80-95 1430-1450
Амплитуда колебаний экстремальных температур достигает 85°. Самый теплый месяц - июль. Средняя температура его +18,9°С.
Количество солнечного тепла в 2-3 раза больше, чем требуется на испарение всех осадков, выпадающих летом (Сляднев,1958). Среднее количество осадков за год составляет 477 мм. Среднее количество осадков, выпадающих за вегетационный период - 240 мм, примерно половина от годового количества осадков. Гидротермический коэффициент по Г.Т.Селянинову (1958) равен 1,1, который свидетельствует о недостаточном увлажнении района.
Продолжительность теплого периода от даты, устойчивого периода температуры через О °С весной до даты перехода её через 0 °С осенью составляет в среднем 194 дня. Переход через 0°С весной обычно происходит после 10 апреля. Продолжительность периода с t > 5 °С составляет 165 дней. Прогревание почвы до + 10 °С наступает в начале 2-ой декады мая. Средняя дата прекращения заморозков приходится на 20 мая, а первый осенний заморозке по многолетним данным приходится на 16 сентября. В отдельные годы заморозки могут продолжаться до 10 июня, а осенью начинаются с 23 августа. Безморозный период в среднем 115 дней: наименьшая продолжительность безморозного периода в отдельные годы составляет 77 дней, а наибольшая - 146 дней. Сумма положительных температур за период со среднесуточной температурой выше +10 °С равна 2040°.
Тепло - и влагообеспеченность растений за вегетационный период в значительной степени изменяется под влиянием рельефа местности, типа почвы и её гранулометрического состава. Наиболее продолжительный безморозный период наблюдается на вершинах увалов и верхних частях склонов (135 дней), более короткий на открытых водоразделах и средних
9
частях склонов (115 дней) и самый короткий в долинах рек (100 дней). По теплообеспеченности зона благоприятна для выращивания многих сортов пшеницы, кукурузы на силос, технических культур, картофеля и овощей. Однако лимитирующим здесь фактором является влага, так как большая часть осадков приходится на вторую половину лета. Осадки носят ливневый характер, иногда возможен град.
Запасы продуктивной влаги в метровом слое к моменту перехода температуры через +10°С составляют в черноземах выщелоченных и обыкновенных - 135 мм. К моменту перехода температуры осенью через +5°С запасы продуктивной влаги в этих почвах находятся в пределах 80 мм. Такие запасы влаги обеспечивают все сельскохозяйственные культуры водой только на 50-75 % от оптимальной потребности (Агроклиматические ресурсы Алтайского края, 1971).
В условиях высокого Приобья большое влияние на развитие эрозионных процессов оказывает снежный покров и характер его таяния. Размеры эрозии, вызываемые талыми водами, зависят от мощности снежного покрова, запасов воды в снеге и физического состояния почвы в период снеготаяния (Орлов, 1966; Сметанин, 1972; Сурмач, 1976).
Снежный покров лежит в среднем 161 день и средняя высота его равна 40 см, запасы воды в среднем составляют 95 мм на период максимальной высоты снежного покрова (данные Барнаульской метеостанции). Следует также заметить, что снег распределяется неравномерно в зависимости от рельефа, экспозиции. Больше его накапливается на северных, северо-западных, северо-восточных склонах, меньше - на южных, юго-западных, юго-восточных. Неравномерное распределение снежного покрова оказывает большое влияние на глубину промерзания почв, сток талых вод, а следовательно, и на развитие весенней плоскостной водной эрозии. Почвы Приобского плато ежегодно сильно и глубоко промерзают. Промерзание их начинается в конце октября - начале ноября. В первой декаде ноября почвы промерзают на глубину 3-5 см, к
10
концу зимы глубина промерзания почв составляет 100 см. Промерзание почв начинается до того, как устойчиво ляжет снежный покров - чаще после осенних дождей или таяния неустойчивого снега, когда верхние слои почв насыщаются влагой. При замерзании она превращается в лед и почва становится практически водонепроницаемой.
В связи с неравномерным распределением снежного покрова стаивание снега и оттаивание почвы происходит также неравномерно. Снеготаяние начинается обычно в третьей декаде марта и продолжается 20 дней, но основная масса снега сходит за 7-8 дней.
В первую очередь снег тает на нижних частях склонов южных экспозиций, затем верхних частях и северных склонах. Талые воды стекают по оттаявшей сверху на незначительную глубину (5-7см) почве (Кононцева, 2000, и др.).
В целом климатические условия в ОПХ АГАУ «Пригородном» Первомайского района и ФГУП «Центральном» Калманского района благоприятны для возделывания районированных сортов сельскохозяйственных культур. При обязательном применении комплекса противоэрозионных почвозащитных мероприятий и приемов, направленных на сохранение почвенного плодородия (Сметанин, 1972; Сурмач, 1976; Танасиенко, 1988; Лопырев, Рябов, 1989; Ларионов, 1993).
Метеорологические данные лет исследования (2003, 2004, 2005годов) представлены в приложении 1 и 2.
1.2. Рельеф и гидрография
В геоморфологическом отношении землепользование обоих хозяйств расположено в восточной части Приобского плато и частично на небольших разрозненных участках поймы р. Оби. Приобское плато - обширная древнеаллювиальная равнина, которая в различных частях испытала воздействие разных дополнительных факторов, сыгравших существенную роль в формировании местных особенностей рельефа (Почвы Алтайского края, 1959). Основная часть Приобского плато представляет
11
широкоувалистую равнину, расчленению на ряд увалов параллельно вытянутыми ложбинами древнего стока, заложенными ещё в третичное время и переуглубленные в четвертичное время потоками талых ледниковых вод. Абсолютные отметки восточной части Приобского плато 250-300 м над уровнем моря. Глубина ложбин 50-80м. На склонах плато выработаны серии эрозионно-аккумулятивных террас ложбин древнего стока. Склоны плато расчленены густой сетью сравнительно молодых эрозионных форм балок, долин и оврагов. Густота эрозионного расчленения территории достигает 0,3-0,9 км/км2. Различия горизонтального расчленения накладывается на глубину вреза балок. Более сильному горизонтальному расчленению соответствует и более глубокий врез балок.
Общая поверхность плато - широкоувалистая, с небольшими уклонами. Склоны круче 3° встречаются лишь на наиболее расчлененных участках. Склоны отличаются большой длиной (до Зкм), что даже при слабых уклонах способствует почвенному смыву.
В северо-восточной и восточной частях плато, прилегающих к долине р. Оби, где находится землепользование учебного хозяйства, наблюдается усиление расчлененности рельефа. Верхние участки плато лежат на высоте 250-280 м над уровнем моря, базис эрозии (р. Обь) расположен на высоте 120 -130 м над уровнем моря. Эта смена высот происходит на расстоянии всего нескольких километров. Следствием такой амплитуды высот является бурное развитие эрозионной деятельности. Здесь расчленение достигает 0,9-2 км/км , а местами и более.
Склоны плато расчленены густой сетью долин, балок и оврагов. Характерны глубокие балки и долины (глубиной 100-120 м при ширине до 2 км) с сильно разветвленными верховьями и со свежими эрозионными врезами по днищам. Глубина донных оврагов достигает 20-30 м. Склоны в верхней части имеют крутизну 1,5-6°, в нижней - до 12°, В связи с условиями рельефа здесь особенно выражены явления почвенного смыва.
12
Большая часть пашни обоих хозяйств расположена на склонах до 1°. Значительная часть пахотных угодий расположена на склонах различной крутизны (от 1 до 10°). Вовлеченные в пашню склоновые земли подвержены смыву, который начинается на склонах 1,5-2°. Смытые почвы распространены на склонах балок, подвергающихся неумеренному выпасу, а иногда и распахиванию.
Склоны хозяйств расчленены разветвленными балками и системой лощин на ряд более мелких увалов и водоразделов. Поверхность водоразделов выровнена, часто покрыта множеством микропонижений, чередующихся с микроповышениями, абсолютная высота которых колеблется в пределах 0,4-1,0 м. Микропонижения (блюдца) имеют различную форму, облесены, местами даже заболочены.
Склоны водоразделов пологие, по мере приближения к балкам крутизна их увеличивается. В прибалочной части изрезаны ложбинами и лощинами, которые непосредственно переходят в вершины балок или их отвершки. Ложбины порой крутые и глубокие.
Южные склоны почти повсеместно смыты. Об этом свидетельствует распространение слабо- и среднесмытых почв, приуроченных к этим склонам. Лощины, как правило, вытянуты в правую сторону от балок, относительно неглубокие. Некоторые наиболее крупные лощины, глубоко врезаны (порядка 5-7 м). По днищам отмечаются мелкие озерки и болотца.
В юго-западной и северной частях землепользования в водораздел врезаются несколько отвершков балок, развитых за пределами землепользования. Балки разветвлены, относительно прибалочных приводораздельных склонов врезаны неглубоко (на глубину 8-15 м) и имеют ассиметричное строение. Северные склоны более крутые и короткие, задернованы и залесены, имеют хорошо выровненную бровку. Южные склоны в водораздельные склоны переходят плавно, сильно смыты и размыты. Днище балок узкое, покрыто донными размывами.
13
В связи с условиями рельефа на исследуемой территории особенно выражено явление плоскостной водной эрозии (Материалы почвенного обследования совхоза «Центральный» Калманского района, 1999; Кудрявцева, 1997; Кононцева, 2000).
Гидрографическая сеть ОПХ «Пригородное» представлена речушками Власиха и Штабка и системой озер повышенной части землепользования (возле с.Ново-Михайловка и д.Березовк:а). Характерной особенностью рек описываемой территории является подпитывание майскими паводковыми водами. Речки Власиха и Штабка имеют очень узкие русла, мелководные, в летние месяцы высыхают, сохраняясь в виде отдельных плёсов, лиманов, прудов. Вода в них пресная. Озера водораздельной части расположены цепью по направлению Березовка-Ново-Михайловка-Власиха, глубокие и пресноводные. Эрозионная деятельность озер незначительная, в основном они имеют аккумулятивное значение.
Территория хозяйства «Центральный» где расположены пахотные земли разделена реками Большая Калманка, Малая Калманка и Марушка на четыре массива. На этих массивах преобладают склоны южной и юго-западной экспозиций, меньше занимают склоны северной и северо-западной экспозиций. Грунтовые воды находятся на различной глубине, в зависимости от условий рельефа. На водораздельной повышенной части землепользования воды находятся на глубине 50-100 м, в днищах балок, лощин и по периферии озер грунтовые воды лежат на глубине 3-6 м и оказывают влияние на почвообразование.
1.3. Растительность
Растительность колочной степи представлена разнотравно-ковыльным и типчаково-ковыльным составом. Среди первых основной фон составляли узколистные дерновые злаки — ковыли (Stipa stenophylla, S. capillata), типчак (Festuca sulcata), степной овес (Helictotrichon desertorum) и др. с широким участием разнотравья - шалфея (Salvia nutans), клевера (Trifolium montanum, T. lupinaster), колокольчиков (Campanula steveni) и
14
др. Характерная особенность этих степей - обильное развитие разнотравья. Основные представители люцерна желтая (Medicado falcata), зопник, гранатник, чина клубеньковая, мышиный горошек и др. Древесная растительность сохранилась здесь в виде березовых колков по склонам северных экспозиций и по пологим понижениям. В настоящее время основные площади черноземных почв распаханы. Естественная растительность сохранилась лишь на отдельных участках (балки, крутые склоны, заповедные участки и др.) (Крылов, 1919; Куминова, Ронгинская, Вагина, 1972).
1.4. Почвообразующие породы и почвы
Почвообразующими породами на большей части территории представлены крупнопылеватыми лессовидными суглинками, которые подстилаются песками, супесями и глинами. На террасированных склонах широких увалов почвообразующие породы более легкие. Главная особенность почвообразующих пород - наличие в них карбонатов кальция. По минералогическому составу почвообразующие породы богаты полевыми шпатами, слюдами, гидрослюдами (Петров, 1948; Трофимов, 1967, 1968; Бурлакова, 1984; Ганжара, 2001).
Почвенный покров Алтайского края, генезис и плодородие основных пахотно-пригодных почв охарактеризованы в работах К.П. Горшенина (1939), Н.В. Орловского (1956), А.Д. Орлова (1966, 1983), Карманова И.И. (1980), Карпачевского Л.О. (1977) Л.М. Бурлаковой (1984), Танасиенко (1991) и др. Комбинации структур почвенного покрова в равнинных и предгорных зонах Алтайского края изучены в работах СИ. Грибова (1997), Н.Ф. Кудрявцевой (1997),Е.В. Кононцевой (2000).
Согласно почвенно-географическому районированию Алтайского края (Почвы Алтайского края, 1959) на данной территории обоих хозяйств среди пахотных угодий распространены черноземы выщелоченные и обыкновенные среднемощные среднегумусные и маломощные малогумусные, черноземы карбонатные и смытые. Главной особенностью почвообразования
15
черноземных почв данной территории является развитие дернового процесса почвообразования (гумусонакопления). Это автоморфные почвы, грунтовые воды залегают глубже 7 м и влияния на почвообразовательный процесс не оказывают.
В хозяйствах черноземы выщелоченные формируются на плоских водораздельных участках и покатых склонах северной, северо-восточной, северо-западной и юго-западной экспозиций, испытывающих более высокое увлажнение за счет атмосферных осадков или стоковых вод. Они образуют пятнистость с обыкновенными черноземами. В условиях умеренно-засушливой колочной степи, где распространение выщелоченных черноземов связано с особенностями перераспределения влаги по элементам рельефа, формируются почвы с широким диапазоном колебаний мощности гумусового горизонта (Бурлакова, 1984).
По мощности гумусового горизонта на рассматриваемой территории встречаются черноземы выщелоченные среднемощные (Мд+ав 42-48 см), и маломощные - (МА+Ав 25 - 39) см. Среди выщелоченных черноземов встречаются малогумусные (<6 %) и слабогумусированные (<4 %). Вскипание от соляной кислоты и наличие в профиле карбонатов отмечается в среднем на глубине 58-155 см (в горизонтах Вк, ВСК, Ск). Часть почв подвержена водной эрозии в слабой и средней степени. У среднесмытых почв пахотный слой приобретает буроватый оттенок, т.к. в обработку вовлекается горизонт АВ.
Уменьшение содержания в почве гумуса является также показателем уровня снижения плодородия смытых почв. Так, к слабосмытым относятся почвы, с уменьшением содержания в них гумуса от 1 до 20 %, к среднесмытым - от 20 до 50 % и к сильносмытым - более 50 % по сравнению с несмытыми почвами (Заславский, 1979).
Подтип черноземов обыкновенных является зональным для подзоны обыкновенных черноземов умеренно-засушливой колочной степи (Бурлакова, 1984).
16
Черноземы обыкновенные, как правило, формируются по повышениям, вершинам и пологим склонам водоразделов. Они имеют широкое распространение наряду с черноземами выщелоченными. Среди обыкновенных черноземов различают среднемощные среднегумусные, среднемощные малогумусные и слабогумусированные, маломощные малогумусные и слабогумусированные, а также черноземы обыкновенные карбонатные средне- и маломощные. Часто встречаются черноземы обыкновенные слабо- и среднесмытые.
Мощность гумусового слоя (А+АВ) среднемощных черноземов обыкновенных колеблется в пределах 45-57 см, маломощных - 27-39 см. Еще меньше мощность в смытых черноземах (22-35 см).
Вскипание от соляной кислоты отмечается внизу гумусового горизонта или сразу под ним, у карбонатных с поверхности. Карбонаты выделяются чаще в виде мучнистой пропитки.
Черноземы обыкновенные и обыкновенные карбонатные принадлежат к малогумусными, с содержанием гумуса 4,0-5,4 %, и слабогумусированные - 3,4-3,8 %. Вниз по профилю содержание гумуса уменьшается постепенно.
Площадь лугово-черноземных почв незначительна и встречаются условно однородными контурами и в комплексах по пониженным участкам, лощинообразным понижениям и нижним частям склонов до 10°.
Почвы лугово-черноземного типа являются полугидроморфными аналогами черноземов. Они сформировались под влиянием временного усиленного увлажнения водами поверхностного стока и при периодическом или постоянном грунтовом увлажнении при глубине залегания фунтовых вод 3-5м и выше, и оказывают периодическое влияние на почвообразовательные процессы. Признаки оглеения отмечены в почвообразующей породе. Часть почв подвержена водной эрозии в слабой и средней степени. Одновременно со смытыми почвами встречаются и намытые почвы. По содержанию гумуса в горизонте А встречаются лугово-
17
черноземные малогумусные - 4,0-5,3 и слабогумусированные - 2,90-3,92 % почвы.
Таким образом, почвы пахотных угодий выражены в основном «
различными подтипами черноземных почв (Почвы Алтайского края, 1988).
ГЛАВА 2. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ <* 2.1. Объекты исследования
Объектами исследования послужили пахотные почвы умеренно-засушливой и колочной степи Предалтайской провинции в системе господствующего агроценоза яровой пшеницы в агроландшафтах склонов разных частей и экспозиций (Природное районирование, 1958).
Почвы были рассмотрены на примере двух хозяйств: ОПХ АГАУ «Пригородное» Первомайского района и КГУП «Центральное» Калманского % района (Приложение 3).
Предметом изучения были взяты почвы хозяйств элементарных агроландшафтов, содержание в них органических остатков, гумуса и его качественного состава, подвижных элементов питания, их влияния на урожайность зерна яровой пшеницы. Были рассмотрены склоны следующих экспозиций: северной, северо-восточной, юго-восточной, южной, юго-западной и водораздел. Во всех агроландшафтах разрезы почв закладывали ф по элементам рельефа в верхней, средней и нижней частях склонов.
2.2. Методы исследований
Исследования проводили в течение трех лет, с 2003года по 2005год. Начальная стадия работы заключалась в том, что были проанализированы материалы прошлых лет исследования (изучали погодные условия, рельеф и почвенный покров. Рельеф местности по планово-картографической основе. * Для изучения состояния почв были использованы материалы диссертаций
Кононцевой Е.В., материалы кафедры почвоведения и агрохимии АГАУ по |
