Change in aggregate structure of various soil types during the succession of abandoned lands

Агрегатный состав почвы представляет собой результат совместного действия различных физико-химических, биологических и физических процессов почвообразования и является одним из основных качественных признаков почвы (Шеин, 2005) . От того, в какой степени в почве представлены крупные и мелкие структурные отдельности, зависят все фундаментальные свойства почвы, все основные процессы, которые определяют ее внутреннюю жизнь и функции в биосфере (Six et al., 2004; Pirmoradian et al., 2005; Nichols, Toro, 2011) . Почвы, в которых преобладают макроагрегаты, как правило, содержат больше органических и питательных веществ, они менее восприимчивы к эрозии и в них создаются оптимальные физические режимы для произрастания растений (Elliott, 1986; Six et al., 2004; Niewczas, Witkowska-Walczak, 2005) .

Интенсивная распашка земель сопровождается нарушением строения верхней части почвенного профиля, сложения, структуры и агрегатного состава верхних горизонтов (Булыгин, Лисецкий, 1996; Гаевая, 2008; Несмеянова, 2015) . По сравнению с микроагрегатами макроагрегаты менее устойчивы и при сельскохозяйственном использования почв они могут разрушаться не только за счет механического воздействия сельскохозяйственной техники, но и за счет уменьшения поступления свежего органического вещества в почвы агроценозов, что приводит к существенному ухудшению их экологического состояния (Тейт, 1991; Артемьева, 2010) .

Забрасывание пахотных угодий сопровождается снятием сельскохозяйственной нагрузки и запускает сложный процесс восстановления, как зонального растительного покрова, так и почвенного плодородия – залежную сукцессию (Глумов, 1953), которая сопровождается сравнительно быстрой дифференциацией пахотного горизонта, образованием дернины на поверхности и органо-минеральных горизонтов (Люри и др., 2010; Lopes de Gerenyu et al., 2008). Подпахотный горизонт постепенно трансформируется в направлении соответствующего по глубине горизонта фоновой почвы (Караваева и др., 1985; Васенев и др., 1996; Анциферова, 2001; Васенев, 2008; Kurganova et al., 2007). Агрегатный состав почв в ходе постагрогенной эволюции (залежной сукцессии) также претерпевает существенные изменения, обусловленные, с одной стороны, особенностями, унаследованными от пашни, с другой – воздействием формирующихся на залежах естественных биоценозов (Скворцова и др., 1987; Трофимов и др., 2014; Баева, 2016; Рыбакова, 2016).

Цель работы – сравнительный анализ изменения растительности и агрегатного состава различных типов почв (дерновоподзолистой, серой лесной и чернозема обыкновенного) в ходе их постагрогенной эволюции.

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ

Характеристика объектов исследования . Объектами исследования послужили три сукцессионных хроноряда, представленных пахотными почвами и залежами различного возраста. Хроноряды приурочены к разным типам почв: дерновоподзолистой (Мантуровский район Костромской области; 58 ° 10'N, 44 ° 28'E), серой лесной (окрестности г. Пущино Московской области; 47 ° 27'N, 39 ° 35'E) и чернозему обыкновенному (д. Недвиговка, Ростовская область; 54 ° 20'N, 37 ° 37'E). Названия почв приведены по работе В.В. Егорова и др. (1977) .

В Костромской области исследовали сукцессионный ряд: пашня, засеянная овсом, 8-летняя залежь, залежь 13 лет, молодой вторичный осиново-березовый лес (35 лет) и вторичный лес (возраст ~100 лет). Объекты расположены в 1–1.5 км от р. Унжа в нижней части приводораздельного склона. Почвообразующие породы представлены супесчаными и песчаными отложениями флювиогляциального происхождения, в толще которых на глубине 60– 100 см встречаются линзы глины. Почвенный покров представлен дерново-подзолистыми легкосуглинистыми почвами. Среднегодовая температура воздуха в данном районе составляет 2.1 ° С, среднегодовое количество осадков – 564 мм с колебаниями по годам от 470 до 954 мм.

В Московской области исследования проводили на бывших пахотных землях Опытно-полевой станции Института физикохимических и биологических проблем почвоведения РАН, которые в разные годы были выведены из сельскохозяйственного оборота. Изучаемые участки представляли собой паровое поле, зале-

Бюллетень Почвенного института им. В.В. Докучаева. 2017. Вып. 88 жи 6, 15 и 30-летнего возраста, а также вторичный липово осиновый лес 65-летнего возраста, являющийся конечной стадией изучаемого сукцессионного ряда. Залежи 15- и 30-летнего возраста периодически косились, поэтому возобновление древесной растительности на них не происходило. Почва на участках – серая лесная среднесуглинистая разной степени эродированности. Согласно многолетним метеонаблюдениям (Станция комплексного фонового мониторинга, п. Данки, Серпуховский район Московской области), среднегодовая температура воздуха в 1973–2015 гг. в районе исследований составила +5.2°С, а среднегодовое количество осадков – 673 мм.

В Ростовской области объектом исследования выбрано старопахотное опытное поле, расположенное на Агробиостанции Южного федерального университета. Длительность пахоты – около 150 лет, почвенный покров представлен черноземом обыкновенным карбонатно-мицелярным. Отдельные участки пашни этого поля периодически выводили из сельскохозяйственного оборота (в 1932, 1986, 1996 и 2002 гг.), они постепенно зарастали естественной степной растительностью. Таким образом, сформировался сукцессионный хроноряд, включающий пашню, используемую под посевы озимой пшеницы и ячменя, и бывшие пахотные почвы различной длительности восстановления: 10, 15, 26 и 81 год.

Среднегодовая температура в данном районе составляет +8 ° С, а среднегодовое количество осадков – 596 мм (Lopes de Gerenyu et al., 2008) .

Геоботаническое описание растительности в Московской и Костромской областях выполняли в июле 2013–2014 гг. в период максимального развития травянистой растительности. Их проводили на серии учетных площадок размером 10 х 10 м² (Костромская область) и 0.5 х 0.5 м² (Московская область), заложенных по регулярной сетке. На каждой учетной площадке провели глазомерную оценку общего проективного покрытия травостоя и проективного покрытия каждого отдельного вида (Ипатов, Мирин, 2008) . Растительность в залежном ряду на черноземах Ростовской области описывали в сентябре 2007 г. В это время трудно корректно оценить количественно общее видовое разнообразие, поскольку весенние виды растительности уже полностью исчезли. Поэтому в работе приводится только название ассоциации.

Отбор почвенных образцов, пробоподготовка и определение общих свойств почв . Смешанные образцы отобрали из небольших прикопок методом конверта из двух почвенных слоев: 0– 10 и 10–20 см (бывший пахотный горизонт). Для определения гигроскопической влажности почв и величины рН образцы растирали в фарфоровой ступке, отбирали корни и просеивали через сито с отверстиями 1 мм. Определение содержания C и N проводили в образцах почв с тщательно выбранными корнями и просеянных через сито с диаметром отверстий 0.25 мм. Содержание общего углерода (С общ ) и азота (N общ ) определяли на автоматическом анализаторе (Leco, США) в 3-кратной повторности. Величину рН определяли в 1 М растворе КСl (соотношение почва : раствор 1 : 2.5) на рН-метре Metler-Toledo (Швейцария) в двукратной повторности (все повторности аналитические).

Структурный (агрегатный) анализ почв проводили методом сухого просеивания в смешанных образцах, отобранных методом конверта из двух почвенных слоев: 0–10 и 10–20 см. Для этого 300 г воздушно-сухой почвы естественного сложения освобождали от корней, затем вручную в течение 2–3 мин интенсивно встряхивали на ситах с диаметром отверстий 10, 7, 5, 3, 2 и 0.25 мм (Шеин, 2005) . Полученные фракции взвешивали с точностью 0.01 г и затем с учетом их доли в общей массе образца определяли средневзвешенный диаметр (СВД, мм) агрегатов для каждого слоя в соответствии с формулой:

СВД = S7=o ^ i M i , где М i – весовой процент фракции агрегатов со средним диаметром ж i , n – количество фракций (Шеин, 2005) .

Коэффициент структурности (К стр ) рассчитывали как отношение (по массе) суммы агрегатов размером 0.25–10 мм к сумме агрегатов диаметром >10 и <0.25 мм:

_   2(0.25-10 мм)

Z МО мм. <0.25 мм) .

Структура почвы считается хорошей, если К стр = 0.67–1.50 и неблагоприятной – при К стр < 0.67 (Вадюнина, Корчагина, 1986) .

Статистическую обработку результатов проводили с использованием программы Microsoft Excel 2007. В таблице и на графиках приведены средние значения и стандартная ошибка (SE).

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Анализ растительности сукцессионных хронорядов . Основные характеристики растительного покрова изучаемых участков приведены в таблице.

Дерново-подзолистая почва. Пашня данного участка засеяна овсом с включением ряда сорняков, сопутствующих посевам культурных растений. В травостое 8-летней залежи преобладают костер безостый ( Bromopsis inermis L.), звездчатка злаковая ( Stellaria graminea L.), ястребинка зонтичная ( Hieracium umbellatum L.), овсяница красная ( Festuca rubra L.).

На 13-летней залежи наблюдается практически сформированный, хотя и еще не сомкнутый, древостой из ивы козьей ( Salix caprea L.) высотой до 2.5–3 м. В травяном покрове преобладают ситник нитевидный ( Juncus filiformis L.), овсяница красная ( Festuca rubra L.), грушанка круглолистная ( Pyrola rotundifolia L.) и костер безостый ( Bromopsis inermis L.).

Древостой молодого леса (35-летняя залежь) представлен осиной обыкновенной ( Populus tremula L.) и березой белой ( Bеtulа alba ) (формула древостоя 4О5Б). Сомкнутость крон – 0.6–0.7. В подросте появляется ель обыкновенная ( Picea abies L.). Растительный покров травяно-кустарничкового яруса представлен в основном кустарничками с доминантом черникой ( Vaccínium myrtillus L.) и разнотравьем: дудником лесным ( Аngеliса silvеsтris L.) и марьянником луговым ( Melampyrum pratense L.).

Растительный покров полновозрастного леса представлен следующими видами: древесный ярус – елью обыкновенной ( Picea abies (L.) Krarst), березой белой, осиной обыкновенной ( Populus tremula L.) (формула древостоя – 4Е5Б1О, сомкнутость крон 0.4– 0.6); в подлеске – ива ушастая ( Salix aurita L.), рябина обыкновенная ( Sorbus aucuparia L.), крушина ломкая ( Frangula alnus Mill.), можжевельник ( Juniperus communis L.). В напочвенном покрове 15 видов, преобладают черника ( Vaccínium myrtillus L.) и брусника ( Vaccinium vitis-idaea L.), отдельными куртинами встречается Sphagnum Girgensohnii Russ.

Серая лесная почва. Растительность парующей пашни представлена такими сорными видами, как одуванчик лекарственный ( Taraxacum officinale Wigg. s.l.), бодяк полевой (Cirsium arvense (L.)

Общая характеристика растительности и почв (слой 0–10 см; среднее ± SE) исследуемых хронорядов

Дерново-подзолистая легкосуглинистая почва
Возраст залежи	Пашня	8 лет	13 лет	35 лет	~100 лет
Ассоциация ОВБ*, число видов С общ , % N общ , % С/N рН КСl	Злаковая (посев овса) Не опр. 1.61±0.17 0.139±0.010 11.6±0.1 5.37±0.13	Злаково-разнотравная 24 2.67±0.30 0.203±0.012 13.1±0.1 4.57±0.02	Злаково-разнотравная с порослью ивы 29 4.15±0.44 0.273±0.015 15.2±0.1 4.71±0.01	Осиновоберезовый разнотравный лес 21 2.06±0.05 0.166±0.020 12.4±0.1 4.13±0.00	Еловоберезовый черничный лес 15 7.60±0.60 0.344±0.030 22.1±0.2 3.42±0.02
Серая лесная среднесуглинистая почва
Возраст залежи	Пашня	6 лет	15 лет	30 лет	65 лет
Ассоциация ОВБ, число видов С общ , % N общ , % С/N рН КСl	Паровое поле (разнотравная) 6 1.16±0.01 0.107±0.002 10.9±0.2 5.46±0.02	Пырейно-разнотравная 13 1.20±0.01 0.113±0.003 10.6±0.1 5.17±0.01	Овсянни-цево-разнотравная 21 1.50±0.04 0.140±0.005 10.7±0.1 4.74±0.01	Злаково-разнотравная 32 1.97±0.02 0.191±0.003 10.3±0.1 5.01±0.01	Лиственно-разнотравный лес 18 2.72±0.05 0.228±0.004 11.9±0.1 5.35±0.02
Чернозем обыкновенный карбонатно-				мицелярный
Возраст залежи	Пашня	10 лет	15 лет	26 лет	81 год
Ассоциация	Злаковая (пшеница)	Разнотрав-но-бобово-злаковая	Пырейно-злаково-бобово-разнотравная	Вейнико-во-типчаковоузкомят-ликово-бобово-разнотравная	Узкомят-ликово-пырейно-типчаково-ковыльно-разнотравная
ОВБ, число видов С общ , % N общ , % С/N рН КСl	1.97±0.02 0.163±0.005 12.1±0.1 7.19±0.02	1.80±0.02 0.156±0.003 11.5±0.2 7.31±0.01	Не опр. 2.19±0.07 0.203±0.002 10.8±0.2 7.35±0.01	2.25±0.05 0.214±0.003 10.5±0.1 7.16±0.04	2.71±0.15 0.262±0.011 10.3±0.2 7.25±0.00

• ^*ОВБ – общее видовое богатство, число видов (включая деревья и кустарники).

** Отбор почвенных проб и описание растительности в черноземном залежном ряду проводили в сентябре. В это время трудно корректно оценить количественно общее видовое разнообразие, поскольку весенние виды растительности уже полностью исчезли.

Scop. s.l.), тысячелистник обыкновенный ( Achillea millefolia L.), полынь обыкновенная ( Arthemisia vulgare L.) и др. Травостой 6летней залежи состоит, главным образом, из разнотравья при доминировании пырея полевого ( Agropyron repens L.) и мятлика развесистого ( Poa compressa L.) с примесью хвоща полевого ( Equisetum arvense L.), пижмы обыкновенной ( Tanacetum vulgare L.), одуванчика лекарственного ( Taraxacum officinale Wigg s.l.) и вьюнка полевого ( Convolvulus arvense L.).

Растительность 15-летней косимой залежи значительно разнообразнее по видовому составу, чем предыдущие участки. Здесь преобладают овсяница луговая ( Festuca pratensis Huds.), полевица побегоносная ( Agrostis stolonifera L.), ежа сборная ( Dactylis glomerata L.), тимофеевка луговая ( Phleum pratense L.), пижма обыкновенная ( Tanacetum vulgare L.), тысячелистник обыкновенный ( Achillea millefolium L.), одуванчик лекарственный ( Taraxacum officinale Wigg s . L.), земляника лесная ( Fragaria vesca L.). Возобновлению древесного яруса на этом участке препятствует режим периодического сенокошения.

Залежь 30-летнего возраста представлена такими видами злаков, как полевица белая ( Agrostis tenuis Sibth.), костер безостый ( Bromopsis inermis (Leyss.) Holub), вейник наземный ( Calamagrostis epigeios (L.) Roth), ежа сборная ( Dactylis glomerata L.) и мятлик развесистый ( Poa compressa L.); а также разнотравьем – одуванчик лекарственный ( Taraxacum officinale Wigg s.l . ), марьянник дубравный ( Melampyrum nemorosum L.), земляника лесная ( Fragaria vesca L.), вероника дубравная ( Veronica chamaedrys L.), подмаренник мягкий ( Galium mollugo L. s.l.) и бобовые: Lathyrus pratensis L., клевер гибридный ( Trifolium hybridum L.), горошек волосисистый ( Vicia hirsuta (L.) S.F.Gray). Возобновление древесного яруса здесь также отсутствует из-за регулярного сенокошения.

Вторичный лиственный лес 65-летнего возраста представлен следующими видами растений: древесно-кустарниковый ярус – осина обыкновенная ( Populus tremula L.), липа сердцевидная ( Tilia cordata Mill.), клен остролистный ( Acer platanoides L.), дуб череш-чатый ( Quercus robur L.), береза пушистая ( Betula pubescens Ehrh.), лещина обыкновенная ( Corylus avellana L.), черемуха обыкновенная ( Padus avium Mill.), жимолость настоящая ( Lonicera xylosteum L.) и бересклет бородавчатый ( Euonymus verrucosa Scop.) Формула древостоя – 5О3Л2К ед.ДиБ. В травяном покрове преобладают воронец колосистый ( Actaea spicata L.), ясменник пахучий ( Asperula odorata L.), ландыш майский ( Convallaria majalis L . ), щитовник мужской ( Dryopteris filix-mass (L.) Schott ), хвощ лесной ( Equisetum sylvaticum L.), зеленчук желтый ( Galeobdolon luteum Huds . ), гравилат городской ( Geum urbanum L.), медуница неясная ( Pulmonaria obscura Dum.) и костяника каменистая ( Rubus saxatilis L.)

Чернозем обыкновенный. На изучаемых объектах сформировались следующие растительные ассоциации: разнотравно-бобово-злаковая с доминантными видами – пыреем ползучим ( Elytrigia repens (L.) Nevski), чиной клубненосной ( Latyrus tuberosus L.), скердой кровельной ( Crepis tectorum L.) (10-летняя залежь); пырейно-злаково-бобово-разнотравная с преобладанием пырея среднего ( Agropyron intermedium Host.), пырея ползучиго ( Elytrigia repens (L.) Nevski), перловника трансильванского ( Melica transilvanica Schur.) (15-летняя залежь); вейниково-типчаково-узкомятликово-бобово-разнотравная с доминантами вейником наземным ( Calamagrostis epigeos (L.) Roth), овсяницей валлисской ( Festuca valessiaca Gaud.), мятликом узколистным ( Poa angustifolia L.) (26-летняя залежь) и узкомятликово-пырейно-типчаково-ковыльно-разнотравная с преобладанием в составе пырея ползучего ( Elytrigia repens (L.) Nevski), мятлика узколистного ( Poa angustifolia L.), овсяницы валлисской ( Festuca valesiaca Gaud.) (81летняя залежь).

Для характеристики биоразнообразия растительных сообществ использовался такой параметр, как общее видовое богатство представляющий собой число видов, произрастающих на том или ином участке, включая деревья и кустарники. По мере естественного зарастания пашни и сенокоса лесом общее видовое богатство увеличилось и достигло максимальных значений на лугах (залежи

Бюллетень Почвенного института им. В.В. Докучаева. 2017. Вып. 88 13-, 15- и 30-летнего возраста), которые представляют собой самые богатые в видовом выражении растительные сообщества. Возобновление древесной растительности на залежных почвах привело к снижению видового богатства, что обусловлено полным исчезновением светолюбивой растительности под сомкнутым пологом леса. Таким образом, на залежах разного возраста в рассмотренных сукцессионных рядах имеет место увеличение биоразнообразия и постепенное восстановление климаксных сообществ, характерных для конкретных природно-климатических зон.

Динамика общих свойств почв в ходе постагрогенной эволюции. По мере зарастания пашни наблюдается достоверное увеличение содержания органического углерода в верхней части бывшего пахотного горизонта (0–10 см) во всех изученных типах почвы. Однако при смене природно-климатических зон с севера на юг вышеуказанные изменения содержания общего углерода в ходе постагрогенной сукцессии ослабевают в ряду дерновоподзолистая почва – серая лесная почва – чернозем обыкновенный. Так, в дерново-подзолистой почве под лесом значение С общ в 4.7 раза выше, чем на пахотных почвах. В хроноряду на серой лесной почве такое превышение составляет 2.3 раза, а в черноземе обыкновенном – 1.4 раза. При этом значимый рост запасов углерода в черноземах и серых лесных почвах наблюдается только на заключительных стадиях сукцессии, что обусловлено не столь существенным преобразованием органопрофиля пашни по сравнению с зональной почвы. В хроноряду залежей на дерновоподзолистой почве с развитием лесной растительности на процесс гумусонакопления накладывается процесс элювиирования органического вещества. Вследствие этого, на залежи 35 лет наблюдаем некоторое обеднение верхней минеральной части профиля органическим веществом по сравнению с залежью 13-летнего возраста. Однако во вторичном елово-березовом лесу вследствие формирования полноценной лесной подстилки обогащенность углеродом верхней части минерального горизонта снова возрастает, и содержание С общ достигает 7.60 ± 0.60% за счет грубогумусных соединений подстилки, которые за счет жизнедеятельности мезофауны перемешиваются с минеральной матрицей слоя 0–10 см почвы. Аналогичная тенденция изменения содержания углерода на стадиях естественного зарастания пашни разнотравьем и лес-

Бюллетень Почвенного института им. В.В. Докучаева. 2017. Вып. 88 ными породами отмечается на агросерых почвах Курской области (Замотаев и др., 2016) .

Обогащенность органического вещества азотом в старопахотной толще существенно изменяется по мере восстановления естественной растительности на пашне. Соотношение углерода и азота в органическом веществе существенно увеличивается по мере лесовосстановления на бывших пашнях на дерновоподзолистых почвах. Увеличение соотношения С/N в верхней части старопахотного горизонта при зарастании пашни на серых лесных почвах не столь существенно по сравнению с хронорядом залежных дерново-подзолистых почв, и здесь можно говорить лишь о тенденции. При зарастании черноземов, наоборот, отмечается значимое уменьшение данного показателя, но только в первые 10–15 лет после прекращения распашки.

Для всех сукцессионных рядов, отражающих зарастание пашни естественной растительностью, выявлено повышение кислотности после прекращения распашки, что является результатом прекращения агрохимических мероприятий и подкисляющего действия разлагающегося растительного опада. Так, в верхней части старопахотной толщи дерново-подзолистой почвы в ходе залежной сукцессии происходит увеличение кислотности. При этом наиболее резкое снижение рН соответствует стадии сомкнутого древостоя. При восстановлении естественной растительности на серой лесной почве сначала происходит увеличение кислотности, но на поздних стадиях сукцессии (залежь 35 лет и вторичный лес 65-летнего возраста) кислотность почв имеет тенденцию к снижению. При естественном зарастании пашни на черноземе обыкновенном, напротив, отмечается незначительное увеличение значений рН в ходе постагрогенной сукцессии.

Структурный состав залежных почв. Прекращение антропогенного воздействия и зарастание бывших сельскохозяйственных почв естественной растительностью приводит к изменению их структурной организации (Караваева, Денисенко, 2009; Мясни кова, 2015) . Характер и направленность такой постагрогенной трансформации, наряду с историей освоения и первоначальными свойствами почвы, существенно зависят от биологических факторов (Falkengren-Grerup et al., 2005) . Например, корневая система травянистых растений, пронизывая почву во всех направлениях,

Бюллетень Почвенного института им. В.В. Докучаева. 2017. Вып. 88 разрыхляет почвенную массу в одних местах и уплотняет в других, создавая тем самым агрегаты определенной формы (Рыбакова, Сорокина, 2013; Tisdall, Oades, 1982) . Кроме того, продукты разложения органического вещества выполняют функцию клея, объединяя микроагрегаты в макроагрегаты (Артемьева, 2010; Elliot, 1986; Golchin et al., 1994; Yamashita et al., 2006) .

Анализ структурного состава бывших пахотных почв изученных хронорядов показал, что содержание макроагрегатов в поверхностном слое серых лесных почв и черноземов увеличивается в ряду пашня – залежи – лес, а количество микроагрегатов (<0.25 мм), наоборот, уменьшается (рис. 1). Это, вероятно, можно объяснить негативным влиянием сельскохозяйственной обработки, приводящим к дезагрегации почвы. Так как формирование микроагрегатов обусловлено, в основном, химическими факторами: коагуляцией коллоидов, склеиванием, слипанием в результате действия сил Ван-дер-Ваальса элементарных почвенных частиц, остаточными валентностями и водородными связями, адсорбционными и капиллярными явлениями в жидкой фазе (Мартынова, 2011; Tisdall, Oades, 1982; Gunina, Kuzyakov, 2014) , а макроагрегаты формируются путем слипания микроагрегатов под действием, главным образом, биологических факторов (корневые тяжи, грибные гифы и побочные продукты жизнедеятельности микроорганизмов) (Karlen et al., 2003; Lado et al., 2004) , устойчивость макро-и микроагрегатов к разрушению различна (Морковкин, Демина, 2011; Лисецкий и др., 2013; Colazo, Buschiazzo, 2010) . При этом силы сцепления между элементарными почвенными частицами в микроагрегатах на порядок, а чаще на 2 – 3 порядка выше, чем в макроагрегатах (Булыгин, Лисецкий, 1996; Артемьева, 2010) . Поэтому вспашка приводит в первую очередь к разрушению почвенных макроагрегатов. Это может быть как прямое физическое нарушение структуры почвы при механической обработке, так и косвенное, например, нарушение фрагментов корней и микоризных гифов, которые являются основными связывающими средствами для макроагрегатов, или снижение численности популяций макрофауны (в том числе дождевых червей), которые положительно влияют на образование агрегатов.

Наиболее выраженный тренд увеличения доли макроагрегатов, наряду с уменьшением количества микроагрегатов, отмечается

I

0-10 см

пашня залежь 6 лет залежь 15 лет залежь 30 лет

II

пашня залежь 6 лет

залежь 15 лет залежь ЗОлет

III

10-20 см

0-10 см залежь 26 лет залежь 81 год

10-2 0 см залежь 15 лет залежь 26 лет залежь 81 год залежь 10 лет залежь 15 лет пашня залежь 10лет

Рис.

1. Соотношение агрегатов в залежных почвах: I

–

дерново-

подзолистой; II – серой лесной; III – черноземе обыкновенном.

Бюллетень Почвенного института им. В.В. Докучаева. 2017. Вып. 88 в сукцессионном ряду, сформированном на серых лесных почвах. Здесь в верхнем 10-сантиметровом слое почвы под лесом содержание микроагрегатов снизилось, а макроагрегатов соответственно увеличилось на 14.8% по сравнению с пашней (рис. 1, II). При этом по мере увеличения возраста залежи увеличивается доля макроагрегатов большего размера. Так, микроагрегаты “слипаются” сначала в мелкие агрегаты (0.25–2 мм), из которых в свою очередь образуются макроагрегаты размером >2 мм.

В черноземах уже через 10 лет после забрасывания пашни доля микроагрегатов за счет образования макроагрегатов снижается от 10.7 до 5.3% и остается относительно стабильной на более поздних стадиях залежной сукцессии (рис. 1, III). При этом отмечается увеличение количества именно крупных (>2 мм) агрегатов – от 48.1 на пашне до 71.9% 81-летней на залежи. По-видимому, такое изменение процентного состава почвенных частиц можно объяснить богатством черноземов органическим веществом, которое является ключевым фактором агрегации почвы, а также не столь существенным преобразованием органопрофиля при сельскохозяйственном воздействии.

Наименее выраженные изменения в соотношении макро- и микроагрегатов характерны для залежного ряда, сформированного на дерново-подзолистых почвах (рис. 1, I). Несмотря на относительно стабильное содержание микроагрегатов, при естественном зарастании пашни изменяется соотношение мелких и крупных макроагрегатов. Так, с увеличением возраста залежей растет доля почвенных агрегатов, размер которых 0.25–2 мм (с 52 на пашне до 70% под лесом в слое 0–10 см), главным образом, за счет разрушения крупных макроагрегатов.

Как уже упоминалось выше, основным клеящим составом почв является органическое вещество почв. Показано, что коэффициент корреляции между содержанием органического вещества и устойчивостью агрегатов довольно высок и составляет 0.6-0.8 (Лыков и др., 2004). В качестве агрегирующего компонента органическое вещество почв может выступать как самостоятельно, так и в виде гуматов кальция, натрия, железа и алюминия. При этом наиболее прочную структуру образуют гуматы кальция. С другой стороны, степень цементации структурных отдельностей зависит не только от природы клеящего вещества, но и от гранулометри- ческого состава почвы. Чем больше в почве глинистых частиц, тем прочнее ее структурные агрегаты (Розанов, 2004). Вероятно, разрушение крупных макроагрегатов в дерново-подзолистых почвах костромского хроноряда объясняется их небольшой прочностью, которая обусловлена небольшим содержанием органического вещества в зональных дерново-подзолистых почвах и их легкосуглинистым гранулометрическим составом.

Доля агрономически ценных агрегатов. Агрономически ценными считаются макроагрегаты размером от 10 до 0.25 мм, т.к. именно они определяют структуру почвы. Глыбистая (>10 мм) и пылеватая (<0.25 мм) фракции относятся к нежелательным и неблагоприятно влияют на агрофизические свойства почвы (Шеин, 2005) .

В верхнем 10 см слое почв всех исследуемых залежных хронорядов количество агрономически ценных (10–0.25 мм) агрегатов превышает 60%, что говорит об их отличном агрегатном состоянии (рис. 2). Кроме того, их содержание в бывшем пахотном слое постепенно растет с увеличением возраста залежей.

Коэффициент структурности бывшего пахотного слоя, как правило, в ходе постагрогенной сукцессии имеет тенденцию к росту. В слое 0–10 см на дерново-подзолистой почве под лесом он в 1.5 раза больше, чем под пашней. В залежном хроноряду, сформированном на серой лесной почве, такое превышение более значимо и составляет 3.8 раза, а для чернозема обыкновенного – 2.4 раза ( Р < 0.05). В залежных хронорядах на дерново-подзолистой и серой лесной почвах аналогичная зависимость наблюдается и для слоя 10–20 см, в то время как для черноземного хроноряда эта тенденция нечеткая (рис. 3).

Вышесказанное подтверждает литературные данные о том, что изъятие земель из сельскохозяйственного использования приводит к постепенному восстановлению их естественной структуры и улучшению агрономических свойств почвы (Бембеева, Джапова, 2012; Даденко и др., 2014; Макарова, Козлова, 2014; Мясникова, 2015; Телеснина, 2016; Баева и др., 2017; Kristiansen et al., 2006; Nichols, Toro, 2011; Kalinina et al., 2015) . Например, в работе Т.Н. Авдеевой и др. (2014) показано, что содержание агрономически ценных агрегатов в залежных дерново-подзолистых почвах достигает 44–46%, а в пахотных почвах их доля снижается до 33–6%.

I

Рис. 2. Количество агрономически ценных агрегатов (АЦА) в залежных почвах: I – дерново-подзолистых; II – серых лесных; III – черноземах.

Рис. 3. Коэффициент структурности почв (I – дерново-подзолистых; II – серых лесных; III – черноземов) залежных хронорядов.

По данным Н.А. Караваевой и Е.А. Денисенко (2009) , агрочернозему на пашне соответствует уплотненный мелкоглыбистый и распыленный пахотный горизонт. На молодых залежах начинают образовываться зерна и комки, но доля мелких глыб еще велика. Они исчезают уже через 15 лет залежного режима, хотя плотность почвы все еще остается повышенной. Нормальная плотность пахотного горизонта для данных почв восстанавливается после 30 лет забрасывания.

Наряду с коэффициентом структурности в залежных почвах, в целом отмечается и увеличение средневзвешенного диаметра агрегатов (рис. 4). Однако четкая зависимость данного показателя от возраста залежи наблюдается только для серых лесных почв. Средневзвешенный диаметр агрегатов серых почв под лесом в 1.6 раза больше по сравнению с пашней как в верхнем 10сантиметровом слое, так и на глубине 10–20 см (рис. 4, II). Обнаруженные отличия в размере агрегатов остальных изученных типов почв незакономерны. Например, максимальная величина средневзвешенного диаметра (3.27 мм) в слое 0–10 см дерновоподзолистой почвы характерна для 8-летней залежи (рис. 4, I), а в черноземах его максимальное значение (5.03 мм) наблюдается на залежи, возраст которой составляет 10 лет (рис. 4, III). Подобные различия в размере агрегатов могут объясняться, как некоторой изначальной неоднородностью почвенного покрова изучаемых территорий, так и особенностями механизма агрегирования, а не влиянием изменений в землепользовании.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Почвы агроценозов после выведения из сельскохозяйственного оборота вступают в сложный процесс самовосстановления, идущий в направлении исходного зонального типа. В ходе пост-агрогенной эволюции идет накопление содержания общего углерода и постепенно восстанавливается структурная организация бывшего пахотного слоя. На среднесуглинистых почвах (серых лесных и черноземах) в первые 10–15 лет наблюдается заметное увеличение доли макроагрегатов, в том числе агрономически ценных, и соответственное снижение количества микроагрегатов, что свидетельствует об улучшении агрономических и лесорастительных свойств залежных почв. Несмотря на то, что все почвы изученных хронорядов в соответствии с количеством агрономически ценных агрегатов характеризуются как отличные, динамика увеличения коэффициента структурности для различных типов почв неодинакова. По выраженности степени роста данного показателя с увеличением возраста залежей рассмотренные почвы можно расположить следующим образом: дерново-подзолистая < чернозем обыкновенный < серая лесная. На агрегатное состояние залежных

II

III

II

I

Рис. 4. Средневзвешенный диаметр (СВД) агрегатов залежных почв: I – дерново-подзолистых; II – серых лесных; III – черноземов.

почв существенное влияние оказывает восстановление на них зонального растительного сообщества за счет разрыхляющего воздействия корневой системы трав, а также за счет поступления большего количества свежего органического вещества, которое выполняет роль склеивающего материала при формировании макроагрегатов.

Благодарность . Работа выполнена при поддержке РФФИ (проект 15-04-05156а), Программы Президиума РАН № 15 и Немецкого исследовательского фонда DFG (research project 171/27-1). Авторы выражают признательность к.б.н., ст.н.с. ИФХиБПП РАН А.М. Ермолаеву за предоставленные материалы по геоботаническому описанию залежных почв в Московской и Ростовской областях.