Эколого-агрофизическая характеристика почвенных агрегатов под травами естественных и сельскохозяйственных экосистем

Реализация экологических функций почвы как среды обитания большинства живых организмов связана с ее агрегатным состоянием. Именно благодаря образованию оформленных макроагрегатов создается оптимальное строение почвы, нормальная аэрация и увлажнение, которые необходимы для обеспечения потенциального плодородия. Кроме того, почвенных агрегаты предотвращают смыв и выдувание мелких механических элементов почвы. Структура определяется не только генетическими особенностями почвы, но и характером ее использования. Структурный состав почвы зависит от культур севооборота, удобрений, интенсивности обработок и т.п. Цель исследований - изучение состава почвенных агрегатов под фитомелиорантами в условиях Зауралья Республики Башкортостан.

Пробные площадки закладывались на выровненных участках с однородным почвенным покровом. Анализ структурно-агрегатного состава почвы проводили методом качания сит по Н.И.Саввинову, для сравнения водопроч-ность определяли по А.П. Андрианову. Для агроэкологической оценки структурного состояния черноземов использовали шкалу С.И.Долгова и П.У.Бахтина [4]. Механический анализ образцов почвы проводился по Н.А.Качинскому [4]. Химический анализ фракций структуры, выделенных при сухом просеивании проведен в лаборатории ФГУ Центр агрохимической службы «Башкирский».

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Исследования структурно-агрегатного состава почвы под разными травами проводились в градиенте север-юг на зональных подтипах чернозема - от выщелоченного к обыкновенному и, далее, к южному, имеющих наибольшее распространение в соответствующих административных районах, перечисленных выше (табл. 1). Показано, что в черноземе выщелоченном в слое 0-30 см содержание агрономически ценных агрегатов (10-0,25мм) в целом высокое и под травами естественных сообществ составляет 76,7%, под сеяными травами – 74,9%, под озимой рожью -74,4% и яровой пшеницей - 56,5%.

В черноземе обыкновенном меньше содержание ценных структур: под травами естественных сообществ (62,4%), под сеяными – 74,2%, под рожью – 62,7% и пшеницей – 31,4%. В черноземе южном содержание ценных агрегатов под травами естественных сообществ и сеяными (более 74,0%), ниже под рожью (73,2%) и пшеницей – 53,63%.

Таблица 1. Структурно-агрегатный состав черноземов Зауралья под разными травами

Варианты	05 к S о С У	Сухое просеивание		Мокрое просеивание	Оценка структурного состояния по шкале С.И. Долгова и П.У. Бахтина
		размеры агрегатов (мм) их содержание (%)
		10-0,25	Кс**	более 0,25
Травы естественных сообществ	Ч в	76,7	3,2	72,1	хорошее 1 отличное 2
	Ч о	62,4	1,8	86,1	хорошее отличное
	Ч ю	74,5	2,9	69,6	хорошее хорошее
Сеяные травы	Ч в	74,9	3,0	77,1	хорошее отличное
	Ч о	74,2	2,8	76,3	хорошее отличное
	Ч ю	74,8	2,9	59,62	хорошее хорошее
Зерновые культуры	Ч в	74,4* 56,5	2,9 1,3	73,0 61,7	хорошее/отличное удовлет./ хорошее
	Ч о	62,7 31,4	1,7 0,5	55,1 48,4	хорошее/хорошее неудовлет./ удовлет
	Ч ю	73,2 53,6	2,7 1,2	52,4 35,3	хорошее/у довлет. удовлет./ неудовлет

Примечания: 1 – по результатам сухого просеивания, 2– по результатам мокрого просеивания; * – в числителе показатели озимой ржи, в знаменателе – яровой пшеницы. **Кс – коэффициент структурности

Согласно В.А.Ковде [9], наиболее ценными являются агрегаты размером 5-1 мм. Максимальное их количество наблюдается под травами естественных сообществ наименьшее – под яровой пшеницей и сеяными бобовыми.

Во всех подтипах чернозема глыбистой фракции (более 10мм) больше под яровой пшеницей, что связано с формированием относительно небольшой корневой массы и технологией ее возделывания, связанной с периодической обработкой почвы.

Важной характеристикой почвенных агрегатов является их водопрочность, которая зависит от степени гумусированности, что в значительной степени определяется произрастающими растениями. Мокрое просеивание показало, что в черноземе выщелоченном содержание водопрочных агрегатов под сеяными травами выше (77,1%), чем под травами естественных сообществ (72,1%). В черноземе обыкновенном и южном, наоборот, оно выше под травами естественных сообществ (86,1 и 69,6% соответственно). Под рожью водопрочность приближена к сеяным травам, под пшеницей значительно ниже. Прослеживается закономерное снижение водопроч-ности в градиенте север-юг.

Агроэкологическая оценка структурного состояния черноземов показала, что оно под сеяными многолетними травами и травами естественных сообществ оценивается как «хорошее» и «отличное». При этом в контроле под озимой рожью показатели оценки структурного состояния несколько ниже, но в целом оценивается как «хорошее», исключение составляет оценка водопрочности агрегатов в черноземе южном – «удовлетворительное». Под яровой пшеницей структурный состав почвы оценивается в среднем на «удовлетворительно», хотя на черноземе обыкновенном (при сухом просеивании) и южном (при мокром просеивании) оценивается как «неудовлетворительное», что доказывает «структуроразрушающую» способность яровых зерновых культур.

Для более детального исследования разных фракций структуры почвы водопрочность определяли по методу А.П. Андрианова. Содержание водопрочных структур во всех подтипах чернозема под травами естественных сообществ выше, чем под сеяными. Водопрочных структур разных фракций в черноземе выщелоченном под травами естественных сообществ колеблется от 90 до 100%, тогда как под сеяными от 71,0 до 96,2% и под зерновыми культурами от 6,4 до 52,4%. В черноземе обыкновенном под травами естественных сообществ от 94,0 до 98,5%, сеяными от 53,5 до 84,8% и зерновыми культурами – от 0

до 47,0%. В черноземе южном почвы под травами естественных сообществ содержат от 91,8 до 95,1% агрегатов, под сеяными от 56,0 до 81,8% и зерновыми культурами от 5,9 до 37,5%. В целом под всеми видами изученных групп растений водопрочность структуры снижается в градиенте север-юг. Установлено, что с уменьшением величины агрегатов их водопрочность повышается. Такая закономерность характерна для структуры почв под всеми видами трав и во всех подтипах чернозема.

Исследованиями В.Р.Вильямса [3], К.К. Гельце-ра [5], П.В. Вершинина [2], И.Н. Антипова-Каратаева [1], И.В. Тюрина [11], и др. установлено, что в структурообразовании одну из решающих ролей играет гумус. Наши исследования на черноземе обыкновенном показали, что содержание общего гумуса в почве под ковылем варьирует от 7,5 до 9,0%, овсяницей - 5,7 - 8,3%, пыреем - 4,5 -5,1%. Под сеяными многолетними травами существен- ной разницы нет, показатели гумуса колеблятся от 4,5% до 8,5, под яровой пшеницей от 5,2 до 6,4%. С уменьшением почвенных агрегатов содержание в них общего гумуса увеличивается.

Для более детального изучения почвенных агрегатов нами проводился механический анализ отдельных фракций структуры чернозема обыкновенного. Исследования показали, что содержание камней (>3 мм) под многолетними травами естественных сообществ меньше во фракциях структуры крупнее 3 мм составляет от 2,0 до 3,9 %, под сеяными травами - от 1,0 до 6,8%, и имеет тенденцию к снижению по мере уменьшения размера агрегатов (табл. 2). В агрегатах размером более 7 мм содержание каменистой фракции (>3 мм) в пахотной почве достоверно выше, чем в почве под степными травами. Содержание гравия (3-1 мм) имеет нелинейный характер: по мере уменьшения размера агрегатов от >10 до 5-3 мм оно снижается, затем в агрегатах размерами 3-2

Таблица 2. Механический состав структурных агрегатов разных размеров под травами

Размер агрегата, мм Механические элементы (мм) и их содержание (%) >3 3-1 1-0,25 0,25-0,05 0,05-0,01 0,01-0,005 0,005-0,001 <0,001 <0,01 Травы естественных сообществ >10 3,7±0,8 5,7±0,8 9,0±0,5 18,7±2,3 17,1±2,0 8,1±0,3 14,2±0,5 23,5±1,5 45,6±4,8 10-7 3,9±0,8 4,0±0,2 7,0±0,6 17,9±2,0 18,9±1,5 7,7±0,2 16,6±1,2 24,0±1,5 48,2±4,8 7-5 3,8±0,6 3,6±0,1 6,0±0,3 17,4±2,5 18,6±0,5 8,7±0,4 16,4±0,8 25,5±1,2 47,5±4,7 5-3 2,0±0,5 3,2±0,2 7,2±0,4 20,2±1,1 18,6±2,0 7,4±0,2 16,3±0,8 25,1±1,6 48,8±4,1 3-2 5,7±0,5 6,6±1,0 18,3±1,0 19,2±2,0 8,0±0,3 16,6±0,8 25,6±1,6 50,1±4,9 2-1 6,2±0,2 6,5±0,3 19,6±1,8 19,6±0,9 6,4±0,1 18,3±0,9 23,4±1,5 48,0±4,1 1-0,5 11,2±0,9 20,7±1,0 20,1±0,9 6,9±0,2 18,5±0,9 22,6±1,5 47,9±3,7 0,5-0,25 10,2±0,8 21,4±1,3 19,2±1,3 7,0±0,5 18,2±0,9 24,0±1,4 49,5±4,5 <0,25 25,0±1,1 21,4±1,0 7,0±0,5 18,4±0,7 28,2±1,7 52,5±4,0 Сеяные травы >10 6,8±1,2 3,0±0,4 11,1±0,8 18,1±2,5 16,0±1,8 9,1 ±0,4 16,9±0,9 19,0±1,2 44,9±4,7 10-7 4,8±0,9 3,9±0,1 10,0±1,0 18,3±2,2 15,1±1,2 9,7±0,5 23,4±1,8 14,8±0,9 48,6±4,8 7-5 1,3±0,8 4,0±0,3 9,8±0,9 18,5±2,2 18,9±1,0 7,9±0,2 19,1±1,3 20,5±1,1 47,4±2,9 5-3 1,0±0,6 2,3±0,3 9,2±0,8 18,6±1,0 20,4±2,1 8,9±0,4 19,0±1,0 20,6±1,1 48,5±2,3 3-2 5,6±0,5 7,1±1,0 18,5±1,1 20,7±2,0 8,5±0,4 19,0±1,0 20,6±1,1 47,8±3,5 2-1 6,9±0,2 8,5±0,5 19,2±1,9 17,8±0,5 9,1±0,6 16,5±0,5 22,0±1,1 47,8±3,5 1-0,5 14,7±0,8 18,2±0,8 18,6±0,6 10,0±0,7 17,0±0,6 21,5±1,8 48,4±2,9 0,5-0,25 13,3±0,8 21,6±1,5 18,7±1,4 9,3±0,7 17,1±0,7 20,0±1,1 46,3±3,4 <0,25 25,3±1,2 22,3±1,4 9,9±0,6 19,8±1,0 22,7±1,1 52,3±3,8 Яровая пшеница (контроль) >10 2,5±0,7 2,5±0,3 6,2±0,8 17,6±1,5 26,1±1,1 8,0±0,8 15,7±0,8 21,4±1,2 45,1±2,3 10-7 0,6±0,4 2,5±0,5 7,1±0,6 14,7±1,5 23,3±1,3 8,50,7± 20,3±1,2 23,0±1,1 51,9±3,1 7-5 1,6±0,6 5,2±0,8 16,9±1,1 21,4±1,0 12,1±0,5 19,5±0,6 23,3±1,3 54,9±3,5 5-3 0,2±0,2 0,1±0,2 7,9±0,5 24,9±1,1 20,2±0,7 13,5±0,5 13,7±0,4 19,5±1,0 47,0±2,4 3-2 1,6±0,6 4,7±0,6 23,8±1,5 21,9±0,9 7,3±0,6 16,5±0,6 24,2±1,3 48,0±2,6 2-1 4,0±0,4 5,1±0,8 18,7±0,7 26,1±0,9 8,4±0,7 16,4±0,8 21,3±1,2 46,1 ±2,8 1-0,5 10,3±1,6 17,9±0,5 26,3±1,5 8,1±0,7 18,3±0,7 19,1±1,0 45,5±2,9 0,5-0,25 10,1±1,3 19,9±0,7 22,6±0,8 10,3±0,8 24,5±1,2 12,6±0,8 47,4±3,5 <0,25 20,9±1,2 32,5±1,2 8,8±0,6 14,1±0,8 23,7±1,2 46,6±2,7 и 2-1 - возрастает. В почве под травами оно достоверно выше в глыбистых агрегатах (более 10мм).

Содержание крупного и среднего песка (10,25 мм) механического состава в структурных агрегатах под травами естественных сообществ достоверно меньше, а мелкого песка (0,25-0,05 мм) – одинаково. Преобладание крупной пыли (0,05-0,01 мм) наблюдается с уменьшением размеров агрегатов. Под травами естественных сообществ содержание крупной, средней (0,01-0,005 мм) и мелкой пыли (0,005-0,001 мм) ниже, чем под сеяными. По содержанию ила (<0,001) мм в зависимости от размера агрегатов достоверных различий не обнаружено, исключением является его низкое содержание во фракциях >10 и 10-7мм под сеяными травами. Ила достоверно больше под травами естественных сообществ. Понижение илистой фракции под сеяными травами подтверждает мнение В.Л.Татаринцева [10 с.18], «что понижение илистой фракции в пахотном горизонте обусловлено развитием процессов дефляции, приводящих к выдуванию ЭПЧ (элементарных почвенных частиц. – Р.Х.) размером менее 0,001 мм». По содержанию физической глины (<0,01) достоверной разницы не выявлено, однако с уменьшением почвенных структур наблюдается его увеличение. Анализ механического состава структурных агрегатов почвы под пшеницей (контроль) показал относительно низкое значение всех механических элементов, за исключением фракции крупной пыли.

Агрофизические и агрохимические свойства почв обусловливают формирование среды и условий обитания почвенной биоты, что находит отражение в численности и видовом составе организмов. Нами проводились исследования по выявлению численности и состава цианобактери-ально-водорослевых ценозов (ЦВЦ) в почвенных агрегатах разной величины. Согласно Э.А.Штиной и М.М.Голлербах, [12], в естественных ценозах агроэкосистем развитие альгоценозов зависит прежде всего от почвенно-климатических условий и особенностей сообществ высших растений. Проведенные исследования в целом позволили выявить наличие ЦВЦ во всех изученных фракциях структуры (табл. 3).

Наибольшее число таксонов цианопрокариот и водорослей (15 видов) выявлено в агрегатах размером 0,5-1 мм, наименьшее (7 видов) – в агрегатах размером более 10 мм. Максимальное число таксонов в почве под злаковыми травами (8 видов) обнаружено в агрегатах размером 1-2 мм, под бобовыми (10 видов) - в агрегатах 0,5-1 мм. Преобладает отдел Chlorophyta, включающий 22 видовых и внутривидовых таксона, далее Cyanoprokaryota – 10 таксонов. Виды, относящиеся к желтозеленым и диатомеям, обнаружены во фракциях 1-2 и 2-3 мм. Анализ встречаемости того или иного вида в почвенных агрегатах под травами показал, преобладание отдела цианопрокариот, которые благодаря морфологическим, физиологическим и биохимическим свойствам, хорошо переносят неблагоприятные условия. Известно, что именно цианопрокариоты играют важную роль в повышении противоэро-зионной устойчивости почв, которая сводится, во-первых, к механическому скреплению почвенных частиц нитчатыми формами и склеиванию их за счет слизистых веществ водорослей, во-вторых, к закреплению почвенной влаги [7; 8]. По-видимому, вклад этих водорослей заключается в поддержании cтабильности почв иccледованных агроэкоcистем. Отдел зеленые водоросли представлен 22 видами, преимущественно представителями порядков Chlorococcales и Chlorosarcinales, которые отличаются лабильностью питания и стойкостью протопласта [6].

Большинство таксонов в почвенных агрегатах отмечено единично, однако, для Leptolyngbya boryana встречаемость превышает 50%, это представитель цианопрокариот, обладающий ксероморфной структурой. Сквозными видами,

Таблица 3. Видовое разнообразие ЦВЦ в агрегатах почвы под разными видами растений

Виды растений Фракции, мм <0,25 0,25-0,5 0,5-1 1-2 2-3 3-5 5-7 7-10 >10 Число видов ЦВЦ Злаковые 5 5 5 8 5 5 3 4 3 Пырей ползучий 3 2 2 2 2 4 3 3 3 Овсяница ложноовечья 1 1 1 1 1 1 1 2 1 Ковыль волосатик 0 2 1 6 3 1 1 2 1 Кострец безостый 3 2 1 1 1 3 2 1 1 Пшеница яровая 2 2 3 1 3 2 1 1 0 Бобовые 9 7 10 6 6 5 6 7 6 Люцерна посевная 1 4 0 1 3 3 1 5 0 Эспарцет песчаный 0 0 2 4 0 1 0 0 1 Донник желтый 8 4 9 2 4 3 6 4 6 Всего видов 13 12 15 11 10 9 12 10 8 встречающимися в агрегатах всех размеров, явились Leptolyngbya boryana, Nostoc linkia и Anabaena constricta. Видимо, они являясь часто встречающимися компонентами почвенных фракций различного диаметра, оплетают почвенные частицы в структурные агрегаты, соединяя их, и тем самым играют огромную роль в оструктуривании почвы и противодействуют микроэрозионным процессам.

Выявлена положительная корреляционная зависимость общего гумуса и ЦВЦ с содержанием водопрочных агрегатов (r=0,48 и 0,71 соответственно), а также между числом видов цианопрокариот и агрегатами размером 5-1 мм (r = 0,89). Эти агрегаты способствуют оптимальному сложению почв [9] и лучшему развитию цианопрокариот.

Корреляционный анализ показал, что крупные фракции механического состава - камни (>3мм) и гравий (3-1мм), отрицательно коррелируют с водопрочностью агрегатов (r=-0,9 и -0,4 соответственно), содержанием общего гумуса (r=-0,5 и -0,8), с числом таксонов ЦВЦ (r=-0,6) в агрегатах. Содержание песка, пыли и ила, наоборот, оказывают положительное влияние на водопрочность, гумус и ЦВЦ.

ВЫВОДЫ

Комплексное изучение свойств структурных агрегатов разных размеров показало, что почвы под травами естественных сообществ характеризуются высокой оструктуренностью, обладающей хорошей водопрочностью, которые снижаются вдоль градиента север-юг от черноземов выщелоченных к обыкновенным и южным.

С уменьшением размеров агрегатов повышается их водопрочность, что связано с увеличением в них содержания общего гумуса. Уменьшение размеров почвенных структур сопровождается увеличением содержания в них физической глины (<0,01).

Наибольшее число таксонов цианопрокариот и водорослей выявлено в агрегатах размером 0,5-1 мм, наименьшее в агрегатах более 10 мм. Выявлена положительная корреляционная зависимость общего гумуса и ЦВЦ с содержанием водопрочных агрегатов, а также между числом видов цианопрокариот и содержанием агрегатов размером 5-1 мм, способствующих созданию условий, благоприятных для роста и развития растений и цианопрокариот.