Изменение морфологических признаков чернозема на склонах под действием многолетней вспашки в условиях лесостепной зоны Зауралья

Введение. В условиях реализации государственной программы импортозамещения продуктов питания и кормов сельское хозяйство Сибири получило новый импульс к развитию и переходу на новые научно обоснованные системы земледелия. Наиболее активно развивается животноводство, поскольку на рынке в последние годы появился спрос на отечественную продукцию. В Сибири приняли стратегически верное решение – поддержать мясо-молочное направление, свиноводство и птицеводство. Эти сферы объ- единяет высокая потребность в зерне, которое является неотъемлемым компонентом рациона.

Почвенно-климатические условия Западной Сибири, в частности юга Тюменской области, считаются относительно благоприятными для выращивания зерновых культур, причем с высокими хлебопекарными качествами [1, 2]. Поэтому возникла проблема дефицита местного зерна в регионах, где активно развивается животноводство.

Современная сельскохозяйственная наука старается помочь аграриям, создавая высокоурожайные сорта овса и ячменя, которые могут расти в Сибири и на менее плодородных почвах [3, 4]. Разрабатывается система точного земледелия, позволяющая выровнять урожай на полях с высокой почвенной неоднородностью [5]. Внедряют технологии выращивания новых культур [6].

Однако в погоне за высокими урожаями антропогенная нагрузка на почвы многократно возросла, что может привести к катастрофическим последствиям. Одной из проблем является деградация и изменение свойств пахотных черноземов, сформировавшихся на склонах. Генетической особенностью почвообразования в Западной Сибири является формирование черноземов на возвышенностях и склонах южных и юго-восточных экспозиций [7, 8]. Поэтому практически все ценные поля расположены на склонах, и именно они оказались наиболее подвержены механической эрозии, которая интенсивно протекает при отвальной системе обработки почвы и работе плугов. Чтобы уменьшить тяговое усилие, механизаторы обрабатывают склоны или вдоль горизонталей, или по направлению от вершины холма к подножию. И в том и в другом случае почва постепенно сталкивается вниз по склону. Только при одной вспашке 8–10градусного склона пахотный слой передвигается к подножию в среднем на 20–30 см. Нетрудно рассчитать, за сколько лет плодородный слой вершины холма окажется у его подножья. Нельзя забывать и о поверхностном смыве мелкозема, поскольку в лесостепной зоне Зауралья снеготаяние обычно дружное, а земля в это время находится в замерзшем состоянии и не способна пропустить воду вглубь.

Цель исследования : изучение изменения морфологических свойств пахотного чернозема на разных участках склона.

Объект и методика исследования . Исследование выполнялось по материалам изучения черноземов выщелоченных Заводоуковского района Тюменской области кафедры почвоведения и агрохимии. Район располагается в северной колочной лесостепи Тобол-Ишимского междуречья – наклонная слабоволнистая равнина, окраина водораздельного плато в Прито-болье. Почвообразующие породы – иловатопылеватые лессовидные суглинки.

Объектом исследования были черноземы выщелоченные, сформировавшиеся на гривных элементах рельефа, с крутизной от 6 до 8 градусов. Полевые работы проводились на этих разрезах в 2012–2016 гг., где изучались морфологические признаки строения почвенного профиля. Почвенные разрезы закладывались на всю глубину до почвообразующей породы. Диагностику и классификационное положение почв осуществляли согласно Полевому определителю почв России [9]. Для выявления однородности почвенного покрова в границах склонового поля был проведен сравнительный анализ морфологических признаков, основополагающих свойств иллювиального (В2), иллюви-ально-карбонатного горизонта (Вк) и почвообразующей породы с целью выявления их идентич- ности. Также это подтверждалось одинаковой мощностью генетических горизонтов и соотношением между ними. Статистическую обработку результатов измерения проводили по Б.А. До-спехову с использованием программного продукта Microsoft Excel.

Результаты исследования . Морфологическое описание разреза № 1 целинного участка показало, что объект обладает характерными признаками выщелоченных черноземов Тобол-Ишимского междуречья и Западной Сибири [10– 12]. При описании разрезов, заложенных на разных участках склонового поля, прежде всего отмечали изменение окраски гумусового слоя и мощность генетических горизонтов. На вершине холма (разрез № 1) гумусово-аккумулятивный горизонт был черной окраски и зернистокомковатой структуры. Мощность гумусового слоя достигала 37 см (табл. 1). Переходный горизонт (АВ 1 ) буровато-серого цвета и мощностью 16 см. В целом гумусовый слой целинного чернозема был равен 53 см, что соответствует среднемощному виду. Глубина линии вскипания классифицирует изучаемый чернозем как сильно выщелоченный, с небольшим иллювиально-карбонатным горизонтом.

Разрез № 1. Чернозем выщелоченный среднемощный среднесуглинистый на покровном карбонатном суглинке. Целина. Растительность разнотравно-злаковая.

Описание разреза № 1

А д (0–3 см)	Корешковая дернина
А (3–40 см)	Черный, сухой среднесуглинистый, зернисто-комковатый, уплотнен, трещиноватый, пронизан корнями растений, переход постепенный
АВ 1 (40–56 см)	Буровато-серый, сухой, тяжелосуглинистый, ореховато-комковатый, много корней, переход ясный, языковатый
В 2 (56–100 см)	Светло-бурый, свежий, тяжелосуглинистый, средне- и мелко-ореховатый, плотный, много корней, часто гумусовые карманы и кротовины, гумусовые языки до 80 см. Переход заметный
В к (100–160 см)	Светло-бурый, светлее предыдущего, свежий, тяжелосуглинистый, непрочно-ореховатый, бурно вскипает. Карбонаты в виде вертикальных прожилков длиной от 5 до 8 см при толщине 1-2 см. Снизу количество их сильно уменьшается, редко – журавчики и белоглазка, вкрапления. Переход постепенный
С (>160 см)	Желто-палевый, свежий, среднесуглинистый, бесструктурный, уплотнен до 210 см, ниже рыхлый, тонкопористый, вскипает, карбонаты в виде редкой белоглазки

Пахотный чернозем выщелоченный, расположен на вершине холма, не имел существенных различий от целины по своему морфологическому строению (см. описание разреза № 2). Окраска пахотного горизонта во влажном состо- янии – черная, в сухом – темно-серая. Данный факт указывает на ухудшение гумусового состояния под действием многолетней вспашки [13]. Это подтверждается и проявлением неблагоприятной глыбисто-комковатой структуры.

Таблица 1

Место разреза	А*	АВ 1	В 2	В к	Глубина линии вскипания
Целина	37±2	16±3	44±5	60	97
Вершина холма	36±1	16±5	48±5	60	100
Середина	25±4	16±2	50±17	61	91
У подножья холма	44±7	17±4	52±14	61	113

* На пашне пахотный слой включен в гумусово-аккумулятивный горизонт (А).

Мощность генетических горизонтов чернозема выщелоченного, см

Разрез № 2. Чернозем выщелоченный сред-  покровном карбонатном суглинке. Пашня, верх немощный среднесуглинистый на покровном няя часть склона. Посев пшеницы.

карбонатном суглинке слабо эродированный на

Описание разреза № 2

А пах (0–22 см)	Во влажном состоянии – черный, в сухом – темно-серый, сухой среднесуглинистый, глыбисто-комковатый, уплотнен, рыхлый, много корней, остатков соломы. Переход ясный
А (22–36 см)	Черный, сухой, среднесуглинистый, зернисто-комковатый, уплотнен, трещиноватый, пронизан корнями растений, переход постепенный
АВ 1 (36–52 см)	Буровато-серый, сухой, тяжелосуглинистый, ореховато-комковатый, плотный, много корней, переход ясный, языковатый
В 2 (52–100 см)	Светло-бурый, свежий, тяжелосуглинистый, средне- и мелко-ореховатый, плотный, много корней, часто гумусовые карманы и кротовины, гумусовые языки до 80 см. Переход заметный
В к (100–160 см)	Светло-бурый, светлее предыдущего, свежий, тяжелосуглинистый, непрочно-ореховатый, бурно вскипает. Карбонаты в виде вертикальных прожилков длиной от 5 до 8 см при толщине 1–2 см. Снизу количество их сильно уменьшается, редко жу-равчики и белоглазка, вкрапления. Переход постепенный
С (>160 см)	Желто-палевый, свежий, среднесуглинистый, бесструктурный, уплотнен до 210 см, ниже рыхлый, тонкопористый, вскипает, карбонаты в виде редкой белоглазки

Переходный горизонт (АВ 1 ) не отличается по морфологическим признакам от целины. Однако иллювиальный горизонт в среднем на 4 см больше, что указывает на незначительное усиление процесса выщелачивания под действием антропогенного фактора.

Наиболее интересен с научной точки зрения участок чернозема, сформировавшийся на склоне. Ежегодная вспашка, которая проводилась в разных направлениях, привела к тому, что мощность гумусово-аккумулятивного горизонта уменьшилась до 25 см – это на 32 % меньше, чем на целине и вершине холма. Во влажном состоянии пахотный горизонт характеризуется черной окраской, но при высыхании становится темно-серым с буровато-коричневым оттенком (см. описание разреза № 3). К изменению окраски приводит захват плугом подпахотного слоя. Структура пахотного горизонта глыбистокомковатая с невысокой водопрочностью почвенных отдельностей. Ухудшение структурноагрегатного состава обусловлено вымыванием коллоидных частиц, главным образом - гумусовых веществ [14, 15]. Мощность переходного горизонта постепенно уменьшается, достигая 14 см. Учитывая, что исследования проходили при относительно небольшой крутизне склона, то можно предположить серьезное усиление процесса механической эрозии на полях, которые располагаются на склонах с углом 10 и более градусов.

Антропогенные изменения коснулись еще одного основополагающего показателя плодородия - гранулометрического состава. На целине и верхней части поля чернозем относится к среднесуглинистой разновидности, тогда как в середине склона почва легкосуглинистая. Нижележащие слои не отличаются друг от друга по своему составу. Это несомненный признак смывания физической глины вниз по склону, что может стать причиной существенного ухудшения физико-химических свойств и снижения плодородия пашни в целом.

Разрез № 3. Чернозем выщелоченный маломощный легкосуглинистый на покровном карбонатном суглинке средне эродированный покровном карбонатном суглинке. Пашня, средняя часть склона. Посев пшеницы.

Описание разреза № 3

А пах (0-20 см)	Во влажном состоянии - черный, в сухом - темно-серый с буровато-коричневым оттенком, сухой, легкосуглинистый, глыбисто-комковатый, рыхлый, много корней, остатков соломы. Переход ясный
А (20-25 см)	Черный, сухой, среднесуглинистый, зернисто-комковатый, уплотнен, трещиноватый, пронизан корнями растений, переход постепенный
АВ 1 (25-41 см)	Буровато-серый, сухой, тяжелосуглинистый, ореховато-комковатый, плотный, много корней, переход ясный, языковатый
В 2 (41-91 см)	Светло-бурый, свежий, тяжелосуглинистый, средне- и мелко-ореховатый, плотный, много корней, часто гумусовые карманы и кротовины, гумусовые языки до 80 см. Переход заметный
В к (91-152 см)	Светло-бурый, светлее предыдущего, свежий, тяжелосуглинистый, непрочно-ореховатый, бурно вскипает. Карбонаты в виде вертикальных прожилков длиной от 5 до 8 см при толщине 1–2 см. Снизу количество их сильно уменьшается, редко журавчики и белоглазка, вкрапления. Переход постепенный
С (>152 см)	Желто-палевый, свежий, среднесуглинистый, бесструктурный, уплотнен до 210 см, ниже рыхлый, тонкопористый, вскипает, карбонаты в виде редкой белоглазки

Антропогенные изменения на середине склона были обнаружены и в более глубоких слоях. Мощность горизонта В составила 50 см, при отклонении значений в 17 см, что указывает на усиление процесса выщелачивания карбонатов и гидрокарбонатов кальция вглубь профиля. Этому способствует наличие крупных трещин, достигающих одного метра и более. Линия вскипания становится неравномерной, что в будущем приведет к формированию почвенной неоднородности на поле.

Максимальное изменение морфологических признаков обнаружено в нижней части склонового поля (см. описание разреза № 4). Присутствуют явные признаки аккумуляции мелкозема за счет смыва с верхних участков поля. Особенно заметно это становится после снеготаяния до начала посевных работ.

Разрез № 4 . Чернозем выщелоченный среднемощный тяжелосуглинистый на покровном карбонатном суглинке. Пашня, нижняя часть склона. Посев пшеницы.

Описание разреза № 4

А пах (0–22 см)	Черный, сухой, пылевато-комковатый, тяжелый суглинок, рыхлый, пожнивные остатки и корни растений, переход заметный по плотности
А (22–42 см)	Темно-серый, влажный, призматически-комковатый, тяжелый суглинок, корней много, переход постепенный
АВ 1 (42–59 см)	Темно-серый с буроватым оттенком, влажный, ореховатый, тяжелый суглинок, плотный, корней много, переход очень постепенный
В 2 (59–111 см)	Неоднородный по цвету, бурый с белесоватым оттенком и с сероватыми затеками, влажный, комковато-ореховатый, плотный, тяжелый суглинок, корни, переход постепенный
В к (111–172 см)	Бурый с белесыми пятнами, влажный, призматический, тяжелый суглинок, плотный, бурно вскипает, карбонаты в виде белоглазки, переход заметный
С (>172 см)	Палевый, влажный, легкий суглинок, призматический, плотный, бурно вскипает от соляной кислоты, карбонаты в виде белоглазки

Мощность гумусово-аккумулятивного горизонта в нижней части склона составляет 44 см, а на отдельных участках достигает 50–40 см. Мелкозем накапливается неравномерно – присутствуют участки, где мощность горизонта А не отличается в сильной степени от вершины или целины. Это связано с движением воды по поверхности почвы во время снеготаяния и обильных дождей. Слой интенсивно черного цвета, поскольку помимо гумусообразования происходит аккумуляция гумуса, ежегодно приносимого водой со склона. Структура пылеватокомковатая, с невысокой водопрочностью агрегатов, что негативно влияет на воздухо- и водопроницаемость верхнего слоя. Аккумуляция физической глины при смыве ее с верхних участков приводит к утяжелению гранулометрического состава. Пахотный чернозем в нижней части склона относится к тяжелосуглинистой разновидности.

Мощность переходного горизонта (АВ 1 ) достоверно не отличалась от целины и почвы, расположенной на вершине холма, и составляла 17 см. Структура ореховатая, горизонт характеризуется повышенной плотностью относительно целины. Причиной этого является проникновение илистых частиц и мелкой пыли вглубь профиля с аккумуляцией в переходном горизонте.

Сильные морфологические изменения обнаружены в иллювиальном горизонте (В). Окраска неоднородная, присутствуют бурые, белесоватые и темно-серые оттенки. Видны затеки гумусовых веществ, достигающие глубины 80 см и более. Гранулометрический состав тяжелосуглинистый, структура комковато-ореховатая. Слой постоянно увлажнен. Мощность составляет 52 см, что на 18 % больше значений целины. Данный факт указывает на усиление процесса выщелачивания за счет перераспределения воды по территории. В условиях лесостепной зоны Зауралья это может привести к возникновению процесса осолодения и серьезному ухудшению плодородия поля.

Гумусовый слой в нижней части склона постепенно растет, аккумулируя ежегодные наносы мелкозема. Перераспределение воды по склону приводит к увеличению мощности иллювиального горизонта за счет понижения линии вскипания. В совокупности эти факторы привели к тому, что линия вскипания оказалась в 113 см от поверхности почвы. Это на 17 % глубже целины. В условиях лесостепной зоны Зауралья столь серьезное заглубление иллювиально-карбонатного горизонта может привести к невозможности естественной нейтрализации кислотности почвы, проявляющейся в результате естественного почвообразования и сельскохозяйственной деятельности человека.

Морфологический анализ пахотного чернозема выщелоченного на разных участках холма показал серьезные изменения признаков и свойств в результате сельскохозяйственной деятельности человека. В результате ежегодной вспашки под действием поверхностного движения воды в период снеготаяния и обильных осадков в летне-осенний период происходит перераспределение мелкозема, гумусовых ве- ществ и воды по территории холма. В итоге поля начинают характеризоваться почвенной неоднородностью по плодородию и разной продуктивностью отдельных участков. Поэтому необходимо предпринимать дополнительные меры по оптимизации питания, регулированию водного режима и разработке научно обоснованной системы земледелия на склоновых полях. Прежде всего, нужно провести детальный мониторинг пахотного фонда региона с целью выявления проблемных участков, для которых в дальнейшем будет разработана система севооборотов, включающих в себя выращивание многолетних трав и система безотвальной обработки.

Выводы

• 1.    Черноземы выщелоченные, сформировавшиеся на склонах с крутизной более 5 градусов, при длительной распашке приобретают признаки, свойственные эродированным почвам, в виде проявления буровато-коричневых оттенков и облегчения гранулометрического состава.

• 2.    Склоны холмов и грив наиболее подвержены механической эрозии. На них интенсивно смывается мелкозем и гумусовые вещества. Гумусово-аккумулятивный слой на 30–32 % короче, чем на вершинах.

• 3.    Гранулометрический состав пахотного слоя склонового поля постепенно меняется. В средней части холма – легкосуглинистый, а в нижней – глинистый.

• 4.    У подножья холмов происходит аккумуляция мелкозема, влияющая на физические свойства пахотного горизонта. Перераспределение воды по склону приводит к усилению процесса выщелачивания карбонатов и проникновению на большую глубину гумусовых веществ.

• 5.    Использование отвальной системы обработки почвы на склоновых полях приводит к формированию неоднородности участков по плодородию. Это негативно сказывается на продуктивности склоновых полей.