Изменение содержания и качества органического вещества в агросерых почвах Нечерноземной зоны в зависимости от антропогенного воздействия

Уровень содержания органического вещества в почвах является интегральным показателем плодородия, поскольку во многом определяет их физические, физико-химические, биологические и другие важные свойства. Для центра Нечерноземной зоны России вопросы изменения гумусового состояния и особенно качества гумуса агросерых почв под влиянием антропогенных факторов исследованы недостаточно, так как длительные опыты на этом типе почв в данном регионе практически отсутствуют. Требует исследования вопрос об оптимальном уровне и качестве гумуса при котором возможна реализация биоклиматического потенциала культур. Это важно не только для обеспечения высоких урожаев, но и с экологической и экономической точек зрения. Актуально уточнение градаций со- держания гумуса в пахотном горизонте агросерых почв для оценки их плодородия.

Проведен анализ экспериментальных, литературных и отчетных данных исследования гумусового состояния пахотного слоя различно окультуренных типичных агросерых неэродированных почв, главным образом тяжелосуглинистых, в целях оценки содержания гумуса и его качества, направленности изменений при освоении и дальнейшем окультуривании в зависимости от агротехники и удобрений, а также выявления качественных показателей, отражающих окультуренность и плодородие почвы (Алифанов, 1979; Бондарев, Силаков, 1993; Дубровина, 1988; Дьяконова и др., 1994; Карманов и др., 1991; Почвы Московской области..., 1974, 2002; Силаков, 1990 и др.).

Основной базой исследований были агросерые почвы хозяйств с различным уровнем агротехники и применения удобрений в Заокской части Московской области в Озерском и Каширском районах, данные почвенных и агрохимических обследований, проведенных Почвенным институтом им. В.В. Докучаева в совхозе-техникуме «Богословское» на территории Тульской области, агросерые почвы Владимирского ополья.

Для сравнения теми же методами исследовали содержание и качество гумуса в пахотном слое (0-25 см) агрочернозема Петринского опорного пункта Почвенного института при органо-минеральной системе удобрения в севообороте и на варианте без удобрений под монокультурой картофеля в многолетнем опыте.

Основными методами аналитических исследований являлись: анализ общего содержания органического углерода в почвах и вытяжках микрометодом Тюрина в модификации Дьяконовой (1977), анализ группового и фракционного состава гумуса как по ускоренной схеме Кононовой и Бельчиковой (1961), так и с использованием расширенных ее модификаций, при которых применялись последовательные однократные и исчерпывающие вытяжки для непосредственного определения содержания и качества химически подвижной фракции 1, экстрагируемой 0,1 и. NaOH, более прочно закрепленной минеральной частью почвы фракции 2, извлекаемой смесью 0,1 и. NaOH+0,1 М Na4P2O7 и предположительно связанной с Са, фракции 3 гумусовых веществ, связанной с глинистыми минералами и устойчивыми формами полуторных окислов, экстрагируемой 0,02 и. NaOH при нагревании на водяной бане. Последняя фракция является элементом стандартной схемы Пономаревой и Плотниковой (1975). Проведены исследования оптических свойств различных фракций гуминовых кислот с определением оптической плотности (экстинкции (Е) при длине волны 465 нм и концентрации С 0,1% и соотношения экстинкций при 465 и 665 нм (714/716), отражающих относительную обогащенность алифатическими и ароматическими компонентами, насыщенность сопряженными двойными связями, степень зрелости и обновления.

Оценка экспериментальных, литературных, а также данных почвенных и агрохимических обследований показала, что для пахотного горизонта типичных агросерых неэродированных почв исследуемого региона в полевых условиях наиболее характерны значения содержания гумуса от 2,0 до 3,5%, что соответствует значениям С орг от 1,2 до 2.0%. Анализ данных по содержанию органического вещества в различно окультуренных почвах в зависимости от системы удобрений и агротехники, а также их продуктивности дает основание рассматривать уровень содержания гумуса, равный 2,0-2,4% (1,20-1,40% С орг), в пахотном слое тяжелосуглинистых агросерых почв как низкий, 2,5-2,9% гумуса (1,45-1,70% С орг) - как средний и 3,0-3,5% гумуса (1,75-2.0% С орг) - как высокий в данных почвенноклиматических условиях в полевых севооборотах.

При оценке плодородия почв большое значение имеют такие критерии, как минимальное и оптимальное содержание гумуса в пахотном горизонте. Минимальный уровень определяется в неэродированных почвах и тесно связан с их гранулометрическим составом и типом. Почва с минимальным или близким к нему содержанием гумуса обогащена биологически инертным органическим веществом и не обеспечивает необходимые физические, физико-химические, биологические условия плодородия. Наиболее точно минимальный уровень определяется в контрольных вариантах длительных опытов без удобрений: на паровых делянках или при большой доле пропашных в севообороте без многолетних трав. При отсутствии длительных полевых опытов в регионе минимальный или близкий к нему уровень содержания органического вещества может быть определен в выпаханных слабоокультуренных почвах хозяйств, длительное время не получающих удобрений или при невысоких дозах минеральных удобрений. Из-за отсутствия длительных опытов на агросерых почвах в исследуемом регионе в качестве минимального или близкого к нему уровня содержания органического вещества на тяжелосуглинистых разновидностях приняты величины, характерные для сильновыпаханных слабоокультуренных почв хозяйств на плакоре - порядка 2,0-2,2% гумуса (1,15-1,30% С орг) в пахотном горизонте. Выпаханность этих почв подтверждается крайне низкой водопрочностью структуры (менее 13% водопрочных агрегатов более 0,25 мм), низкими уровнями обеспеченности элементами питания, отсутствием выраженной нитрификационной способности, небольшой продуктивностью.

Анализ результатов почвенных обследований и агрохимического картирования, проведенных Почвенным институтом в агроландшафте землепользования совхоза-техникума «Богословское» в Ясногорском районе Тульской области, показал, что неэродированные тяжелосуглинистые аг- росерые почвы на плакоре имеют минимальное содержание гумуса в пределах 2,0-2,2% (Дьяконова и др., 1994). Коэффициент связи между выявленным минимальным содержанием гумуса и содержанием физической глины составил 0,047, что несколько выше, чем для дерново-подзолистых почв (0,040). Коэффициент может использоваться для расчета минимального содержания гумуса в агросерых почвах иного гранулометрического состава. Величина минимального содержания является основой для расчета оптимального, экономически и экологически целесообразного интервала содержания гумуса, достаточного для реализации биоклиматического потенциала культур.

Мы использовали метод М. Кёршенса (1998), определяющего пределы оптимального содержания гумуса на основе его минимального уровня в пахотном слое и оптимального содержания трансформируемого органического вещества, составляющего от 0,2-0,3 до 0,6-0,7% С орг. Расчетный интервал оптимального содержания гумуса в исследуемых агросерых почвах составил 1,48-1.88% С орг или 2,6-3,2% гумуса. Значения в начале интервала (2,6-2,8% гумуса) следует считать оптимальными для зерновых культур, а в конце его (2,9-3,2% гумуса) - для всех полевых культур, включая пропашные. Содержание гумуса менее 2% может указывать на эродированность почвы и припахивание нижележащих горизонтов. Уровень более 3,5% гумуса (иногда 4-5% и даже выше) в ареале типично серых почв может свидетельствовать об их глееватости из-за особенностей рельефа. Он характерен для верхних гумусовых горизонтов целинных почв под лесом, а также наблюдается при очень интенсивном длительном окультуривании с ежегодным внесением очень высоких доз органических удобрений на приусадебных участках при свойственных им режимах обработки почвы и искусственном регулировании водного режима. Доведение в этих условиях ежегодных доз навоза до 300-500 т/га ведет к коренному преобразованию почв и превращению их в стратоагроземы с содержанием в верхних горизонтах гумуса до 8-9% (4,6-5,2% С орг). Важными приемами оптимизации гумусового состояния и физических свойств, особенно водо-прочности структуры, агросерых почв региона являются включение в севообороты многолетних трав и минимилизация обработок почвы.

Экспериментальные исследования изменений содержания и качества органического вещества под влиянием антропогенного воздействия поведены в образцах из гумусового или пахотного горизонтов различно окультуренных агросерых почв и целинной почвы под лесом на плакоре в Заокской части Московской области, предоставленных П.И. Тихонравовой. Подробная характеристика исследованных тяжелосуглинистых агросерых почв и их продуктивности дана А.Г. Бондаревым и С.Н. Силаковым (1993):

• 1.    Слабоокультуренная агросерая почва совхоза «Емельяновка» характеризовалась низкими уровнями обеспеченности элементами питания в па-

• хотном слое (0-20 см), низкой агротехникой возделывания культур, несоблюдением севооборотов, нерегулярностью внесения удобрений, урожайностью зерновых, не превышающей 20-25 ц/га (Озерский район).

• 2.    Высокоокультуренная агросерая почва совхоза «Руновский» сформировалась под влиянием длительного применения органо-минеральной системы удобрений при чередовании зерно-кормового и зерно-пропашного севооборотов, систематического внесения больших доз навоза под пропашные культуры (100-150 т/га) со средней ежегодной обеспеченностью 25 т/га; характеризовалась более мощным пахотным (0-30 см) и гумусовым слоями, чем слабоокультуренная почва, высоким содержанием подвижных элементов питания и стабильной урожайностью зерновых в среднем 45-50 ц/га (Каширский район).

• 3.    Стратоагрозем был сформирован на агросерой почве приусадебного участка совхоза «Сосновский» под влиянием ежегодного длительного (10-15 лет) внесения очень высоких доз навоза (300-500 т/га) и последующей в течение 20-25 лет травяной залежи; характеризуется глубоким гумусовым профилем и сверхвысокими значениями величин содержания подвижных элементов питания и гумуса в верхнем слое 0-30 см (Озерский район).

Проведенные в рассмотренных почвах исследования дали следующие результаты. Все приемы экстракции гумусовых веществ при определении состава гумуса и фракционного состава гуминовых кислот были информативны относительно изменений в содержании и качестве гумусовых веществ, происходящих при освоении серых лесных почв и дальнейшем их окультуривании до уровня стратоагрозема. Преимущество расширенной последовательной экстракции заключалось в увеличении количества фракций и возможности исследования свойств каждой из них, а также в более полном извлечении органического вещества.

Содержание гумуса изменялось от 4,1% в гумусовом горизонте целинной почвы под лесом до 2,2 и 3,0% в пахотных горизонтах соответственно слабоокультуренной и высокоокультуренной агросерых почв и до 8,9% в верхнем гумусовом горизонте стратоагрозема. Целинная почва в верхнем гумусовом горизонте резко отличалась от пахотных горизонтов освоенных аналогов очень высоким абсолютным и относительным содержанием подвижных гумусовых веществ фракции 1, как фульвокислот, так и гуминовых кислот (относящихся к типу бурых) и низким содержанием гуминовых кислот фракции 2, связанных с Са, а также меньшими величинами относительно пахотных аналогов оптической плотности гуминовых кислот фракций 2 и 3 и отношения С гк/С фк в целом (табл. 1, 2).

Таблица 1. Групповой и фракционный состав гумуса в гумусовом или пахотном слоях серых, агросерых почв и агрочернозема по схеме Кононовой и Бельчико- вой (1961)

Вариант поч-	Слой,	С общ/	С гк		С фк		НО*	С гк	Е гк	Е 4
вы	см	гумус, %	1	2	1	2		С фк		Е 6
			% от С общ
Серая под ле-	5–15	2,38/4,1	18,7	5,7	18,5	3,7	53,4	1,1	10,1	4,0
сом
Агросерая слабоокульту-	0–20	1,30/2,2	5,9	25,9	10,3	3,2	54,7	2,4	19,0	3,5
ренная Агросерая вы-сокоокультуренная, NPK +	0–20	1,74/3,0	8,5	20,9	7,7	4,0	58,9	2,5	18,4	3,6
навоз
Стратоагрозем на серой почве	0–10	5,16/8,9	10,0	12,5	6,3	4,7	66,5	2,1	11,8	4,1
Агрочернозем, NPK + навоз	0–25	3,76/6,5	6,7	25,0	7,5	2,5	58,3	3,2	21,7	3,2

* НО – нерастворимый остаток.

Таблица 2. Соотношение фракций гуминовых кислот, различающихся по прочности связи с минеральной частью почвы, их оптическая плотность и отношение С гк/С фк в последовательных однократных экстракциях из гумусового или пахотного слоев серой, агросерых почв и агрочернозема (расширенная модификация метода Кононовой и Бельчиковой )

Вариант почвы	С гк, % от суммы			Е гк			С гк/С фк во фракциях гумусовых веществ
	1	2	3	1	2	3	1	2	3
Серая под лесом	50,9	18,4	30,7	8,6	14,8	7,5	1,0	1,5	1, 6
Агросерая слабо-	13,5	52,7	33,8	5,2	19,8	13,6	0,6	4,3	1,9
окультуренная Агросерая высоко-	17,9	45,2	36,9	5,0	21,9	8,7	1,1	3,9	2,4
окультуренная, NPK + навоз
Агрочернозем, NPK + навоз	15,2	46,9	37,9	9,8	24,6	16,6	0,9	5,0	3,3

При освоении целинной почвы в пахотном горизонте общее количество фульвокислот и подвижных гуминовых кислот резко уменьшается, а абсолютное и относительное содержание гуминовых кислот фракции 2, связанной с Са, сильно возрастает с одновременным увеличением величины их оптической плотности почти до уровня, наблюдаемого в черноземах и характерного для типа черных гуминовых кислот. Повышается также оптическая плотность гуминовых кислот фракции 3, связанной с глинистыми минералами, причем в агрочерноземе она имеет наибольшую величину. В результате при освоении целинной почвы меняется соотношение между фракциями 1 и 2 гуминовых кислот в пахотном слое в сторону резкого преобладания фракции 2 при всех методах экстракции (рисунок).

При использовании обычной схемы Кононовой и Бельчиковой (1961) доля гуминовых кислот фракции 2 в составе общего количества экстрагированных гуминовых кислот (фракция 1 + фракция 2) возрастает от 23,5% в гумусовом слое (5–15 см) целинной почвы до 71,1–81,5% в пахотном

□ гк i   агк2

Соотношение содержания углерода фракций 1 и 2 гуминовых кислот в вытяжке по Кононовой–Бельчиковой из гумусового или пахотного слоев серой, агросерых почв и агрочернозема.

Агрочернозем многолетнего опыта Петринского опорного пункта Почвенного института (Курская обл., Россия) и гаплик чернозем Германии длительного опыта в Бад Лаухштедте (Ismagilova, Korschens, 2003) имеют такое же соотношение между фракциями 1 и 2 гуминовых кислот и практически такую же оптическую плотность фракции 2 гуминовых кислот, как агросерые почвы в полевых севооборотах при использовании методов однократных экстракций. Таким образом, по рассмотренным показателям агросерые почвы почти не отличаются от агрочерноземов, хотя и характеризуются значительно более низким содержанием гумуса, практически совпадающим с уровнем гумусированности средне- и хорошоокультурен-ных агродерново-подзолистых почв (Исмагилова и др., 1987).

Отличия агросерых от агродерново-подзолистых почв проявляются как в преобладании гуминовых кислот фракции 2, связанной с Са, так и в 2 раза большей оптической плотности последних, а также значительно более высокой оптической плотности фракции 3, связанной с глинистыми минералами. Существенные различия агросерых почв от агрочерноземов заметны только при последовательных исчерпывающих экстракциях по соотношению величин оптической плотности гуминовых кислот фракции 2 в первой и второй экстракциях. Данные табл. 3 показывают, что неудобряе-мый агрочернозем, имея практически одинаковую с агросерой слабоокуль-туренной почвой высокую оптическую плотность гуминовых кислот фракции 2 в первой экстракции, сохраняет ее в отличие от агросерой почвы и во второй экстракции.

В агросерой почве оптическая плотность гуминовых кислот фракции 2 второй экстракции заметно снижается. Таким образом, агрочернозем имеет большую однородность гуминовых кислот фракции 2, чем агросерая почва, что можно использовать в диагностических целях.

При исследовании неэродированных агросерых почв различной степени окультуренности установлено, что агрогенная трансформация пахотных почв на фоне систематического внесения органических удобрений особенно в повышенных дозах ведет к изменению соотношения подвижных

Таблица 3. Оптическая плотность подфракций гуминовых кислот, связанных с Са, в серой, агросерых почвах и агрочерноземе при исчерпывающей экстракции (расширенная модификация метода Кононовой и Бельчиковой)

Вариант почвы Экстракция первая вторая Серая под лесом 14,7 10,0 Агросерая слабоокультуренная 22,1 15,1 Стратоагрозем на серой почве 16,5 10,6 Агрочернозем без удобрений 23,5 21,7 и более прочно связанных гуминовых кислот, а также величины оптической плотности последних. Эти изменения наиболее заметны в высоко-окультуренных агросерых почвах, особенно в верхнем горизонте стратоаг-розема, и заключаются в обогащении органического вещества бурыми гуминовыми кислотами подвижной фракции 1 и более прочносвязанными гуминовыми кислотами фракции 3 с уменьшением оптической плотности последних. Это свидетельствует об обновлении гумуса с увеличением доли незрелых компонентов гумусовых веществ с повышенной долей алифатических структур. Характерно также увеличение гуматности или отношения гуминовых кислот к фульвокислотам фракций 1 и 3. В верхнем гумусовом горизонте стратоагрозема наблюдалось существенное снижение оптической плотности не только гуминовых кислот фракции 3 до 7,1 против 13,6 в слабоокультуренной агросерой почве, но и фракции 2 - до 16,5 против 19,8 соответственно. По сравнению с обычными агросерыми почвами под полевыми культурами соотношение С гк/С фк во фракции 1 гумусовых веществ стратоагрозема увеличивалось соответственно от 0,57-1,11 до 1,71, а во фракции 3, связанной с глинистыми минералами, от 1,88— 2,42 до 3,45. Такие же процессы мы наблюдали в унаваживаемых вариантах длительного опыта на гаплик черноземе в Бад Лаухштедте, а также на участке пахотной почвы, где гаплик чернозем ранее долго находился под хранилищем органического удобрения и был очень близок стратоагрозему на серой почве в России по содержанию и качеству гумуса.

Таким образом, установлена высокая информативность значений оптической плотности гуминовых кислот в отношении степени зрелости и об-новленности гумуса. Выявленные изменения в гумусовом состоянии сла-боокультуренных агросерых почв при дальнейшем их окультуривании, свидетельствующие об интенсивных процессах новообразования и обновления органического вещества, в том числе и прочносвязанных фракций при систематическом внесении органических удобрений, несомненно, оказывают положительное действие на физические и биологические свойства почвы, обеспечивают ее потенциальное и эффективное плодородие.