Гумусовое состояние темно-серых лесных почв Северного Зауралья

Введение. Несмотря на сложные природноклиматические условия, Западная Сибирь рассматривается как перспективный регион для расширения объемов аграрного производства. При этом особенное внимание уделяется лесостепной зоне, которая благоприятна для возделывания большинства сельскохозяйственных культур [1, 2].

Территория Западной Сибири имеет сложный почвенный покров, в состав которого преимущественно входят неплодородные почвы, такие как подзолистые и болотные [3]. Поэтому возникает проблема в изыскании наиболее плодородных земельных ресурсов, вовлечение которых в сельскохозяйственное производство не потребует больших материальных затрат.

Наиболее ценные почвы, такие как черноземы Западной Сибири, были выявлены и вовлечены в пашню во второй половине XX в. Поэтому расширение сельскохозяйственных угодий в Северном Зауралье возможно только за счет менее ценных почв, которые ранее не обрабатывались или были переведены в залежное состояние. Наиболее перспективными для использования в пашне являются темно-серые лесные почвы, которые по своему потенциальному плодородию не уступают черноземам Зауралья [4–6]. Основные площади темно-серых лесных почв сосредоточены в лесостепной зоне, где климатические условия способствуют формированию мощного гумусового горизонта с высоким содержанием питательных веществ. Общая площадь темно-серых почв на юге Тюменской области составляет 357,4 тыс. га [6].

Темно-серые лесные почвы преимущественно развиваются по дерновому типу за счет хо- рошо развитой травянистой растительности под пологом осветленных лиственных лесов. Это обеспечивает ежегодное поступление в верхнюю часть почвенного профиля растительных остатков, которые постепенно гумифицируются. В отличие от черноземов поступление растительных остатков в темно-серых лесных почвах зависит от многих факторов. Разнообразные условия увлажнения и освещенности влияют как на накопление биомассы, так и на характер трансформации растительных остатков. При незначительных изменениях рельефа может изменяться водный режим на отдельных почвенных участках Северного Зауралья. Все это приводит к пространственной неоднородности элементов плодородия [7, 8].

Анализ литературных источников показал значительное варьирование содержания гумуса в серых почвах на территории России. Так, в серых лесных почвах Владимирского Ополья содержание гумуса колеблется в пределах 3– 6 % [9]. В серых лесных почвах лесостепной зоны Красноярского края содержание гумуса составляет в среднем от 3 до 5 % [10, 11]. Исследования по Тюменской области показывают, что содержание гумуса, в зависимости от подтипа серых лесных почв, изменяется в диапазоне от 2 до 7 % [12].

Однако проводившиеся ранее исследования были связаны с пахотными серыми почвами, которые систематически подвергаются антропогенному воздействию. Трудов по гумусовому состоянию целинных темно-серых лесных почв недостаточно. Они мало изучены, что затрудняет их эффективное введение в сельскохозяйственный оборот.

Статистический анализ больших массивов данных позволяет установить характер гумусо-образования темно-серых лесных почв, что крайне важно при их сельскохозяйственном использовании и для понимания направленности почвообразования.

Цель исследований – изучить гумусовое состояние темно-серых лесных почв в Северном Зауралье.

Объекты и методы. Объектом исследования стали целинные темно-серые почвы (Greyic Phaeozem Albic (WRB)), которые сформировались в подтаежной и лесостепной зонах Тюменской области. В основу нашей работы легли многолетние исследования кафедры почвоведения и агрохимии Государственного аграрного университета Северного Зауралья. За период с 1960 по 2020 г. были заложены и описаны 123 полнопрофильных разреза целинных темносерых лесных почв.

Детальное представление о морфологии этих почв дает описание разреза (табл. 1) [13].

Мощность гумусового слоя определяли в полевых условиях, при описании почвенных профилей. В это же время проводили отбор образцов для лабораторных анализов. Органический углерод определяли фотометрическим методом по Тюрину в модификации ЦИНАО (ГОСТ 26213-91). Содержание гумуса рассчитывали путем умножения значений органического углерода на коэффициент 1,724. Общий азот определяли по Кьельдалю (ГОСТ 26107-84).

Таблица 1

Горизонт	Морфологические признаки
А 0 0–3 см	Дернина, лесной опад, остатки надземных частей травянистых растений
А 1 3–27 см	Темно-серый, в нижней части становится светлее, тяжелосуглинистый, комковатый, в нижней части – комковато-ореховатый, рыхлый, много корней. Переход постепенный
В 1 27–60 см	Серый с хорошо выраженным буроватым оттенком, тяжелосуглинистый, плотный, в верхней части комковато-ореховатой структуры, в нижней – ореховатой, с хорошо выраженными по граням структурных отдельностей иллювиальными темно-серыми глянцевитыми гумусово-глинистыми пленками, много корней. Переход постепенный
В 2 60–120 см	Бурый, увлажнен, тяжелосуглинистый, ореховатый, плотный, тонкопористый, корни, переход постепенный, по наличию карбонатов ясный по линии вскипания
В к 120–170 см	Светло-бурый, свежий, тяжелосуглинистый, структура непрочно-ореховатая, в нижней части – выражена плохо, тонкопористый, уплотнен, редкие корни, вскипает от соляной кислоты, карбонаты в виде прожилок и твердых скоплений. Переход постепенный
С к >170 см	Желто-палевый, свежий, тяжелосуглинистый, бесструктурный, тонкопористый, уплотнен, бурно вскипает от соляной кислоты

Почва темно-серая лесная осолоделая, тяжелосуглинистая

Расчет статистических показателей гумусового состояния темно-серых лесных почв выполняли в MS Excel (надстройка «Анализ данных»). Были определены меры центральной тенденции (среднее, мода, медиана), меры изменчивости (стандартное отклонение, дисперсия, размах), меры отклонения формы распределения (асимметрия, эксцесс).

Для оценки пространственной вариабельности гумусового состояния темно-серых лесных почв рассчитан коэффициент вариации (Cv), который представляет процентное отношение стандартного отклонения к среднему арифмети- ческому. Варьирование принято считать незначительным, если Cv не превышает 10 %, небольшим при Cv 10–20 %, средним – 20–40, высоким – 40–60, очень высоким – более 60 % [14].

Результаты и их обсуждение. В горизонте А1 темно-серых лесных почв Северного Зауралья гумус образуется в результате трансформации корневых остатков травянистой растительности, поэтому он обладает довольно высокой биологической активностью, что положительно влияет на питательный режим и формирование структурно-агрегатного состава гумусового горизонта. Содержание гумуса в среднем составляет 5,71 %, при этом интервал варьирования довольно широкий – от 2,62 до 7,41 % (табл. 2). Преобладают почвы с содержанием гумуса выше среднего. На это указывает отрицательное значение коэффициента асимметрии, равного -0,77, что означает наличие «левого хвоста», когда медиана и мода выше среднего. Данный факт указывает на направление почвообразования в сторону улучшения гумусового состояния темно-серых лесных почв в ходе естественного развития. Содержание гумуса в верхней части почвенного профиля темносерых лесных почв характеризуется средней пространственной неоднородностью (Cv=21 %). Столь высокая вариабельность требует индивидуального подхода к темно-серым лесным почвам при вовлечении их в сельскохозяйственный оборот.

В иллювиальном горизонте В 1 темно-серых лесных почв гумусовые вещества могут образовываться за счет глубоко проникшей корневой массы, но есть и вероятность вымывания гумусовых веществ из вышележащего горизонта. Содержание гумуса незначительно и составляет в среднем 0,80 %, что указывает на резкий характер убывания гумуса. Распределение значений в выборке плосковершинное (эксцесс равен -0,85), то есть имеет место разброс значений относительно среднего. Асимметрия незначительна. Более половины почвенных образцов содержат гумуса менее среднего уровня, поскольку медиана составляет 0,76 %, что ниже среднего по выборке. Вариабельность высокая (Cv=46 %).

Таблица 2

Показатель	Горизонт
	А 1	В 1	В 2
Среднее	5,71	0,80	0,41
Медиана	5,9	0,76	0,34
Мода	6,67	0,47	0,05
Стандартное отклонение	1,19	0,37	0,30
Дисперсия выборки	1,42	0,13	0,09
Эксцесс	-0,09	-0,85	-0,36
Асимметричность	-0,77	0,25	0,73
Размах вариации	4,79	1,38	1,19
Минимум	2,62	0,14	0,02
Максимум	7,41	1,52	1,21
Коэффициент вариации (Cv), %	21	46	73

Примечание : n – количество почвенных разрезов.

Статистические характеристики содержания гумуса в почвенном профиле темно-серой лесной почвы (n=123), %

В иллювиальном горизонте В 2 темно-серых почв содержание гумуса снижается до минимальных значений. В отдельных разрезах данный показатель достигает 0,02 %, в то же время присутствуют почвы, в которых содержание гумуса составляет 1,21 %, что приближает их к черноземам. В среднем содержание гумуса в горизонте В 2 составляет 0,41±0,3 %. Вариабельность выше, чем в верхней части иллювиального горизонта (Cv=73 %).

Качественной характеристикой гумуса принято считать содержание в нем питательных веществ, главным образом азота [14], а также отношение углерода к азоту. Количество общего азота в органическом веществе почвы влияет на биологическую активность и питательный режим почв, вовлеченных в сельскохозяйственный оборот. Гумусовый горизонт А1 темносерых лесных почв содержит общего азота 0,37±0,1 % (табл. 3). В рассматриваемой выборке преобладают почвенные образцы с содержанием общего азота выше среднего, поскольку имеется левосторонняя асимметрия (медиана и мода превышают средний уровень). Это доказывает накопительный характер содержания азота в темно-серых почвах. Пространственная неоднородность темно-серых лесных почв по содержанию общего азота в гумусовом горизонте оценивается как средняя, так как коэффициент вариации равен 27 %.

Таблица 3

Показатель	Горизонт
	А 1	В 1	В 2
Среднее	0,37	0,09	0,06
Медиана	0,4	0,08	0,04
Мода	0,39	0,07	0,03
Стандартное отклонение	0,10	0,05	0,04
Дисперсия выборки	0,011	0,003	0,002
Эксцесс	-0,4	0,42	0,63
Асимметричность	-0,77	0,73	1,07
Размах вариации	0,41	0,26	0,17
Минимум	0,14	0,01	0,01
Максимум	0,55	0,27	0,18
Коэффициент вариации (Cv), %	27	56	67

Статистические характеристики содержания общего азота в темно-серых лесных почвах Северного Зауралья (n=123), %

В иллювиальных горизонтах В 1 и В 2 азота содержится в среднем 0,09 и 0,06 % соответственно. Значение данного показателя изменяется в широком диапазоне. Вариабельность очень высокая.

Отношение углерода к азоту в гумусовом горизонте А1 темно-серых лесных почв в среднем составляет 9,21, при стандартном отклонении 1,12 (табл. 4), что свидетельствует о высоком качестве гумуса. По данному показателю темносерые лесные почвы наиболее близки к чернозему выщелоченному лесостепной зоны Зау- ралья [15]. Необходимо отметить, что отношение C:N довольно сильно варьирует: от 7,73 до 12,7, что может привести к затруднению разработки единых рекомендаций по использованию этого подтипа в зональной системе земледелия. Асимметрия выборки значительная, характеризуется наличием «правого хвоста», то есть преобладают почвы с отношением C:N ниже среднего, что указывает на постепенное ухудшение качества гумуса целинных темно-серых лесных почв. Варьирование небольшое (Cv=12 %).

Таблица 4

Показатель	Горизонт
	А 1	В 1	В 2
Среднее	9,21	5,51	4,43
Медиана	8,78	5,3	4,3
Мода	8,61	6	3
Стандартное отклонение	1,12	1,45	1,93
Дисперсия выборки	1,26	2,11	3,71
Эксцесс	-0,25	3,43	19,52
Асимметричность	1,03	1,38	2,85
Размах вариации	4,44	8,74	17,5
Минимум	7,73	3,26	0,5
Максимум	12,17	12	18
Коэффициент вариации (Cv), %	12	26	44

Статистические характеристики отношения углерода к азоту (C:N) темно-серых лесных почв (n=123)

В верхней части иллювиального горизонта (В1) отношение углерода к азоту ниже, чем в гумусовом горизонте, и составляет 5,51. Данный факт объясняется тем, что в темно-серых лесных почвах, которые формируется при периодически промывном типе водного режима, проявляется процесс внутрипрофильной миграции минеральных соединений азота.

Дисперсия увеличивается так же, как и размах вариации. Вариабельность средняя (Cv=26 %). В нижней части иллювиального горизонта отношение составляет 4,43. Значение дисперсии, размах вариации выше, чем в верхних горизонтах. Коэффициент вариации, равный 44 %, говорит о высоком пространственном варьировании.

Запасы гумуса в горизонте А 1 темно-серых лесных почв изменяются в интервале от 74 до 315 т/га, в среднем по выборке составляют

189 т/га (табл. 5). Медиана, значение которой 192 т/га, превышает средний уровень, следовательно, большая часть почвенных образцов имеет запасы гумуса выше среднего. Коэффициент вариации, значение которого 28 %, позволяет сделать вывод о средней пространственной неоднородности темно-серых лесных почв по запасам гумуса в верхней части почвенного профиля.

В иллювиальных горизонтах В 1 и В 2 гумуса содержится 24 и 28 т/га соответственно. Положительное значение коэффициента асимметрии указывает на «правый хвост», то есть преобладание почвенных образцов с содержанием гумуса меньше среднего. Вариабельность очень высокая, особенно в нижней части иллювиального горизонта.

Таблица 5

Показатель	Горизонт
	А 1	В 1	В 2
Среднее	189	24	28
Медиана	192	21	25
Мода	Не определена	Не определена	Не определена
Стандартное отклонение	53,4	12,1	22,4
Дисперсия выборки	2847,4	145,3	503,2
Эксцесс	-0,4	1,5	0,7
Асимметричность	-0,2	1,0	1,0
Размах вариации	241	70	104
Минимум	74	4	1
Максимум	315	74	105
Коэффициент вариации (Cv), %	28	51	79

Статистические характеристики запасов гумуса в почвенном профиле темно-серых лесных почв (n=123), т/га

Запасы гумуса в метровом слое темно-серых лесных почв в среднем составляют 241 т/га, варьируют в диапазоне от 111 до 378 т/га. По данному показателю темно-серые почвы уступают черноземам лесостепной зоны Зауралья, запасы гумуса в которых достигают на целине 500 т/га [16–19]. Отрицательный коэффициент эксцесса показывает, что распределение плосковершинное, имеет место разброс значений относительно среднего. Это подтверждается размахом вариации, равным 268 т/га. Таким образом, можно сделать вывод, что темно-серые лесные почвы неоднородны по запасам гумуса в слое 0–100 см, вариабельность оценивается как средняя (Cv=26 %).

Заключение. Темно-серые лесные почвы Северного Зауралья характеризуются благо- приятным гумусовым состоянием, что делает их наиболее перспективными для вовлечения в сельскохозяйственный оборот. Среднее содержание гумуса в гумусовом горизонте (А1) составляет 5,71 % с размахом вариации от 2,62 до 7,41 %. Пространственная неоднородность содержания гумуса в темно-серых лесных почвах оценивается как средняя (Cv=21 %). Содержание общего азота в гумусовом горизонте (А1) изменяется от 0,14 до 0,55 % при коэффициенте вариации 27 %. Это благоприятно сказывается на отношении C:N, средняя величина которого составляет 9,21.

В горизонте B1 содержание гумуса незначительно и составляет в среднем 0,8 %. Общего азота содержится в среднем 0,09 %. Отношение C:N существенно меньше, чем в гумусовом го- ризонте, – 5,51, что обусловлено внутрипро-фильной миграцией минеральных соединений азота.

В ходе анализа выявлено, что темно-серые лесные почвы Северного Зауралья развиваются преимущественно по дерновому типу с постепенным накоплением гумуса в верхней части почвенного профиля с тенденцией снижения его обогащенности азотом.