Научный журнал
Успехи современного естествознания
ISSN 1681-7494
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,778

ДИНАМИКА ГИДРОТЕРМИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ И ОСОБЕННОСТИ ИЗМЕНЕНИЙ ЕСТЕСТВЕННЫХ И АНТРОПОГЕННО ИЗМЕНЕННЫХ ПОЧВ НАЗАРОВСКОЙ ЛЕСОСТЕПИ СРЕДНЕЙ СИБИРИ

Воробьева И.Б. 1
1 ФГБУН «Институт географии им. В.Б. Сочавы» СО РАН
В настоящее время сельское хозяйство, наряду с промышленностью, стало мощным фактором воздействия на окружающую среду. Распашка земель меняет профиль почвы, разрушает структуру, приводит к обеднению верхних горизонтов, способствует усилению водной эрозии и дефляции. В Красноярском крае степень сельскохозяйственной освоенности в несколько раз превосходит аналогичный показатель по Российской Федерации, а уровень распаханности земель – один из самых высоких по стране. При распашке целинных земель происходит замена естественной растительности на монодоминантную, а поверхность почвы покрыта растительностью только часть года, что приводит к вымыванию элементов питания за пределы корнеобитаемого слоя и их выносу за пределы поля. Анализ динамики климата территории исследования показал, что количество атмосферных осадков в основном близко к норме с отклонениями как в сторону увеличения, так и уменьшения. Гидротермический режим почв, расположенных на склонах, находится в большой зависимости от распределения солнечной радиации. Установлено, что для естественного чернозема выявлены два больших цикла, когда температура и влажность находились в противоположных фазах, тогда как почвы антропогенной модификации (пашни) не показали четких температурных циклов. Почва обладает инерционными свойствами и эффектом последействия, которые связаны с предшествующими сезонными фазами. Обнаружено, что этот эффект зависит от предшествующих экстремальных по гидротермическим условиям лет. Увеличение влажности способствует образованию подвижных форм органического вещества и его вымыванию за пределы почвенного профиля. Последующие года – теплые с низким количеством осадков, и вследствие недостатка влаги произошло концентрирование в почвах мобильных соединений. Антропогенно преобразованная почва обнаружила те же закономерности, что и природный аналог, а содержание водорастворимых форм углерода обнаруживает меньшую амплитуду колебаний.
температура
влажность
естественные
антропогенно измененные почвы
мобильное органическое вещество
1. Глазовская М.А. Биогеохимическая организованность экологического пространства в природных и антропогенных ландшафтах как критерий их устойчивости // Известия РАН. Серия географическая. 1992. № 5. С. 5–12.
2. Давыдова Н.Д. Геосистемный подход в изучении природных и антропогенно-нарушенных комплексов // Вестник ТГУ. 2014. Т. 19. № 5. С. 1507–1511.
3. Государственный доклад о состоянии и охране окружающей среды в Красноярском крае в 2014 году. Красноярск, 2015. 297 с.
4. Пушкарев В. Эксперты NASA назвали 2017 год одним из самых жарких за 138 лет наблюдений. Жарче было только в 2016-м // Комсомольская правда. 19.01.18. [Электронный ресурс]. URL: https://www.ufa.kp.ru/daily/26784.7/3817629/ (дата обращения: 01.07.2019).
5. Vorobyeva I.B. Changes in the Southern Siberian Forest-Steppes / Eurasian Steppes. Ecological Problems and Livelihoods in a Changing World, Plant and Vegetation 6. Netherlands. Springer Science Business Media B.V. 2012. Volume 6. P. 425–444. DOI: 10.1007/978-94-007-3886-7_16.
6. Коломыц Э.Г. Локальные механизмы глобальных изменений природных экосистем. М.: Наука, 2008. 427 с.
7. Котляков В.М. О причинах и следствиях современных изменений климата // Солнечно-земная физика. 2012. № 21. С. 110–114.
8. Базыкина Г.С., Овечкина С.В. Влияние цикличности на водный режим и карбонатный профиль черноземов центра Европейской части России и сопредельных территорий // Почвоведение. 2016. № 4. С. 475–488. DOI: 10.7868/S0032180X1604002X.

Вся история человечества – это история экономического роста и последовательного разрушения среды обитания. Одним из основных воздействий на окружающую среду является сельскохозяйственное производство. В Красноярском крае степень сельскохозяйственной освоенности (63 %) в несколько раз превосходит аналогичный показатель по Российской Федерации, а уровень распаханности (43 %) здесь один из самых высоких по стране. Это объясняется благоприятными природными условиями и длительным периодом освоения.

Сильнее всего на природную среду влияет земледелие, которое может приводить к разрушению почвенных экосистем, потере плодородия, водной и ветровой эрозии, уплотнению почвы. При распашке целинных земель происходит замена естественной растительности на монодоминантную, из которой отчуждается значительная часть фитомассы, к тому же на пашнях поверхность почвы покрыта растительностью только часть года. Это приводит к вымыванию элементов питания из корнеобитаемого слоя, и их выносу с латеральным поверхностно-склоновым и почвенно-грунтовым стоком за пределы поля [1, 2].

Анализ данных государственного мониторинга земель и других систем наблюдения за состоянием окружающей среды Красноярского края показывает, что качество земель во всех районах интенсивно ухудшается [3]. Почвенный покров подвергается деградации, загрязнению, захламлению и уничтожению, катастрофически теряет устойчивость к разрушению, способность к воспроизводству плодородия вследствие истощительного и потребительского использования земель.

В природных условиях доминирует естественный круговорот веществ: минеральные вещества, забираемые растениями из почвы, после отмирания растений снова возвращаются в нее. Если же в результате отчуждения урожая система нарушается, становится необходимым применение удобрений, что наносит вред всей системе.

Цель исследования: показать особенности изменений естественных и антропогенно измененных почв по показателям динамики температуры, влажности и мобильного органического вещества.

Материалы и методы исследования

Исходные данные экологического состояния почвы (температура и влажность) получены в результате полевых работ, проводившихся с 1986 по 2014 г. в Назаровской котловине, на Березовском лесостепном стационаре Института географии им. В.Б. Сочавы СО РАН в различные по гидроклиматическим условиям годы. В работе основное внимание уделено анализу временных рядов температуры и влаги в слое почв 0–20 см и 0–50 см естественной и антропогенно измененной почвы (пашни) и динамики мобильных форм соединений углерода.

Объекты исследований расположены на склоне юго-восточной экспозиции с крутизной 10–15о (рис. 1). Чернозем слабовыщелоченный среднемощный с бобово-подорожниково-овсецовой растительностью с хвощом (т. 5). Плотность почвы увеличивается с глубиной, структура – хорошая. Фиксируется буроватый оттенок переходного горизонта – идет процесс выщелачивания. По ходам корней – скопление гидроокислов железа, а оглеение и железисто-марганцевые стяжения обусловлены скоплением влаги, за счет более плотного горизонта Ск, в связи с чем периодически создается глеевая обстановка. Кислотно-основные свойства почвы меняются от слабокислой до щелочной. Сумма поглощенных оснований уменьшается с глубиной. В почвенном поглощающем комплексе доминирует кальций. Количество органического углерода убывает вниз по профилю. Содержание P2O5 резко уменьшается с глубиной, распределение K2O – равномерное по всему профилю. Влажность почвы уменьшается с глубиной.

Антропогенной модификации чернозема слабовыщелоченного среднемощного – пашни (т. 6) характерна неровная поверхность поля с небольшими струйчатыми размывами. До глубины 6 см пахотный горизонт рыхлый, с глубиной почва уплотняется, что связано с вымыванием из верхнего горизонта тонкодисперсных частиц и аккумуляции их над «плужной подошвой». Выравнивающая планировка поля и периодическое перемешивание верхних слоев при распашке в значительной мере изменили морфологическое строение почвы. Пахотная почва имеет более узкий диапазон значений рН внутри почвенного профиля, чем его природный аналог. Заметно меньше обменных оснований, с глубиной их содержание увеличивается. Количество подвижных форм фосфора и калия незначительно, что обусловлено использованием питательных элементов растениями, а впоследствии отчуждаются с урожаем. Необходимо постоянное пополнение, внесение удобрений. В пахотном горизонте характерна довольно высокая обогащенность азотом и органическим углеродом, с последующим резким убыванием (более чем в три раза) переходном.

Для характеристики климатических условий района исследований были использованы данные метеостанции «Шарыпово», расположенной в 10 км от территории исследования.

Применялись методы: ландшафтно-геохимический, сравнительно-географический, сравнительно-аналитический, профильно-генетический, картографический и статистический.

vorobeva1.tif

Территория исследования т. 5 т. 6

Рис. 1. Территория исследования. Склон юго-восточной экспозиции: чернозем слабовыщелоченный среднемощный – т. 5; антропогенная модификация чернозема слабовыщелоченного среднемощного – пашня – т. 6. Назаровская котловина, Средняя Сибирь

Образцы почв отбирались и анализировались по общепринятым методикам и соответствующим ГОСТам.

Образцы почв отбирались ежегодно в середине вегетационного периода, в июле, на одних и тех же участках. К этому времени все процессы в почвах разных местоположений приобретают относительно стабильные значения, максимальное накопление фитомассы. Многолетние исследования позволили получить оригинальный материал по изменению гидротермических показателей естественной и антропогенно измененной почвы Назаровской лесостепи.

Результаты исследования и их обсуждение

Анализ динамики климата территории исследования показал, что количество атмосферных осадков в основном близко к норме (444 мм) с отклонениями как в сторону увеличения (до 668 мм в 1996 г.), так и уменьшения (до 276 мм в 1989 г.), то есть количество осадков может различаться более чем в два раза. За время наблюдений осадков выше нормы было в 1987, 1996, 2000, 2004, 2014, 2015 и 2017 гг. Минимальные количества были зафиксированы в 1989, 1998, 1999 и 2011 гг., т.е. сумма осадков за год имеет устойчивый положительный тренд начиная с 2000 г. Среднегодовая температура воздуха, за время наблюдений, показала отрицательные значения только в 1996, 2009 и 2010 гг. Максимальные значения были выявлены в 1995, 2002, 2007, 2015 и 2017 гг. (свыше 3,0 °С при норме 0,9 °С).

По данным Института космических исследований Годдарда, 2017 г. стал одним из самых жарких за все время наблюдений. Национальное управление океанических и атмосферных исследований США установило, что 2017 год занимает второе место по жаркости вместе с 2015, а лидером является 2016. «К 2016 г. температура поверхности Земли поднялась на 1,1 °С по сравнению с доиндустриальной эпохой (конец XIX в.). В 2017 и 2015 г. показатели оказались одинаковыми: на 0,9 °C теплее», – уточняют учёные. Особенно заметен рост температуры в северном полушарии Земли [4].

Вегетационные периоды, в течение которых проводились наблюдения, существенно различались по метеорологическим условиям. Гидротермический режим почв, расположенных на склонах, находится в большой зависимости от распределения солнечной радиации. Установлено, что для естественного слабовыщелоченного среднемощного чернозема, за время наблюдений выявлено два больших цикла, когда температура и влажность находились в противоположных фазах (рис. 2).

vorobeva2a.wmf

а)

vorobeva2b.wmf

б)

Рис. 2. Динамика температуры и влажности почвы (0–5 см) – т. 5 (а) и антропогенно измененной – т. 6 (б)

В первый цикл, продолжающийся с 1987 до 2001 г., влажность колебалась в интервале от 10 до 60 %, а температура – от 15 до 29 °С. Следующий цикл начался с 2001 г. и продолжается по настоящее время. Подобные циклы были выявлены при ранее проведенных исследованиях [5–7]. Следует отметить, что обнаружена большая амплитуда колебаний (влажность от 6 до 59 %). Значений ниже влажности завядания во втором цикле больше (2005, 2008 и 2012 гг.). Температурная кривая второго цикла имеет более плавный вид, амплитуда колебаний от 12 до 25 °С. Подобные явления выявлены и другими авторами [8].

Почвы антропогенной модификации слабовыщелоченного среднемощного чернозема не выявили четких температурных циклов. Интервал колебаний – температура почвы за все время наблюдений изменялась от 17 до 29 °С. В пахотном слое усиливалось летнее прогревание, увеличивалась амплитуда изменений колебаний влажности (от 5 до 50 %). Расход влаги в верхней части профиля был более интенсивный, что объясняется физическим испарением с поверхности поля и потреблением влаги корнями культурных растений.

vorobeva3a.wmf

а)

vorobeva3b.wmf

б)

Рис. 3. Динамика гидротермических показателей (отношение температуры/влажности) в слое (0–5 см) – т. 5 (а), антропогенно измененной – т. 6 (б) и органического углерода

Почвы, находящиеся в сельскохозяйственном использовании, испытывают интенсивное воздействие агротехнических мероприятий, приводящих к существенному изменению физико-химических и водно-физических свойств. Температура поверхности чернозема слабовыщелоченного (т. 5) в естественных условиях на 1,5–2,5 °С ниже, чем пашни, с глубиной отличие усиливается – на 10 см до 3,5 °С.

В режиме динамики мобильных форм углерода и влажности естественной почвы установлены закономерности, так, максимальные запасы влаги в слое 0–50 см зафиксированы в 1997 г. (1964 т/га), а минимальные – в 1989 (96 т/га). В последние годы запасы влаги в слое 0–50 см остаются на достаточно высоком уровне. Антропогенная модификация естественной почвы выявила следующие закономерности: максимальные запасы влаги в слое 0–50 см – также в 1997 г., но в последующие годы запасы влаги стабильно больше, чем в естественных условиях, что, возможно, связано с посевными культурами и обработкой почвы. Максимальные значения водорастворимого органического углерода чернозема слабовыщелоченного установлены в 1989, 1997, 2001, 2004, 2006 и 2007 гг., минимальные – в 1991, 1992, 1993 (рис. 3). В последующее время значения держатся на относительно высоком уровне. Для пашни характерны следующие показатели: максимальные концентрации мобильного органического установлены в 1989, 1997, 2001 и 2003 гг., минимальные – в 1987, 1992, 1996 и 2008 гг.

Известно, что почва обладает инерционными свойствами и эффектом последействия, которые многие авторы связывают с предшествующими сезонными фазами. В нашем случае это эффект от предшествующих экстремальных по гидротермическим условиям лет.

Так, 1988, 1996, 2001, 2004, 2006, 2007, 2010 и 2011 гг. были экстремальными по высокому содержанию влаги, пониженным температурам почвы и уменьшенному количеству водорастворимых форм углерода. Увеличение влажности способствует образованию подвижных форм органического вещества и его вымыванию за пределы почвенного профиля. Следующие, за перечисленными 1989, 1987, 1998, 2003, 2005, 2008, 2012 гг. – теплые с низким количеством осадков. Вследствие недостатка влаги произошло концентрирование в почвах мобильных соединений.

Для почвы, находящейся в постоянном сельскохозяйственном использовании (пашня) характерны те же закономерности, только гидротермические показатели более выражены (отношение температуры/влажности) имеют более высокие значения (от 0,4 до 7,8), а содержание водорастворимых форм углерода показывает меньшую амплитуду колебаний.

Заключение

В результате изучения гидротермических показателей естественных и антропогенно измененных почв Назаровской лесостепи Средней Сибири (на примере чернозема слабовыщелоченного среднемощного и его антропогенной модификации – пашни) установлено, что для почвы, находящейся в естественном состоянии, за время наблюдений выявлено два больших цикла, когда температура и влажность находились в противоположных фазах. Тогда как почва антропогенной модификации – пашни не выявила четких температурных циклов, что связано с регулярным механическим воздействием, приводящим к существенному изменению физико-химических и водно-физических свойств почвы.

Поскольку почва обладает инерционными свойствами и эффектом последействия, связанными с предшествующими сезонными фазами, выявлено, что 1988, 1996, 2001, 2004, 2006, 2007, 2010 и 2011 гг. были экстремальные по высокому содержанию влаги, пониженным температурам почвы и уменьшенному количеству водорастворимых форм углерода. Увеличение влажности содействует образованию подвижных форм органического вещества и его вымыванию за пределы почвенного профиля. Следующие за перечисленными 1989, 1987, 1998, 2003, 2005, 2008, 2012 гг. – теплые с низким количеством осадков. Вследствие недостатка влаги произошло концентрирование в почвах мобильных соединений. Антропогенно преобразованная почва обнаружила те же закономерности, что и природный аналог, только гидротермические показатели (отношение температуры/влажности) имеют более высокие значения (от 0,4 до 7,8), а содержание водорастворимых форм углерода показывает меньшую амплитуду колебаний.


Библиографическая ссылка

Воробьева И.Б. ДИНАМИКА ГИДРОТЕРМИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ И ОСОБЕННОСТИ ИЗМЕНЕНИЙ ЕСТЕСТВЕННЫХ И АНТРОПОГЕННО ИЗМЕНЕННЫХ ПОЧВ НАЗАРОВСКОЙ ЛЕСОСТЕПИ СРЕДНЕЙ СИБИРИ // Успехи современного естествознания. – 2019. – № 10. – С. 39-44;
URL: http://natural-sciences.ru/ru/article/view?id=37211 (дата обращения: 28.05.2020).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074