История развития человечества – это, с одной стороны, экономический прогресс, а с другой – уничтожение природной среды. Общеизвестно, что сельскохозяйственное производство является одним из факторов, воздействующих на окружающую среду. Большие количества азота, калия и фосфора искусственно вводятся в биологический круговорот химических элементов. Высокое содержание их в почве приводит к повышению концентраций в сельскохозяйственных продуктах и питьевой воде.
В Средней Сибири лесостепи не образуют сплошной полосы, а представляют собой разделенные островные массивы. Назаровская лесостепь относится к «островной» лесостепи, а уровень сельскохозяйственного использования оказывается одним из самых высоких в Красноярском крае. Этому способствовало то, что на этой территории люди жили с древних времен и осваивали эти земли в относительно благоприятных природно-климатических условиях.
При разработке природных почв естественная растительность заменяется монодоминантной. М.А. Глазовская, Н.Д. Давыдова указывали, что на пахотных угодьях культурная растительность произрастает сезонно, а осенью значительная часть выращенной фитомассы убирается. С фитомассой изымаются элементы питания за пределы корнеобитаемого слоя. В последующем происходит вымывание их с поля с латеральным поверхностно-склоновым и почвенно-грунтовым стоком [1, 2]. М.И. Герасимова и др. пришли к выводу, что перемена растительности нарушает нормальный ход биотических процессов в почве, ослабляет биологическую активность, уменьшает количество и состав перегноя [3].
В Государственном докладе о состоянии и охране окружающей среды в Красноярском крае в 2014 г. указано, что качество почвы во всех районах края ухудшается. Почвенный покров подвержен деградации, загрязнению, засорению и разрушению. В результате неконтролируемого использования земель происходит истощение почвы, исчезает устойчивость к разрушению и способность восстанавливать плодородие [4]. Деградация почвы активизируется за счет использования упрощенных сельскохозяйственных технологий в большинстве районов региона. В материалах Красноярского государственного аграрного университета утверждается: «Сельскохозяйственное использование почвы приводит к ежегодной потере перегноя – 0,23 т/га, а 34 % пахотных земель имеют низкое и очень низкое содержание подвижного фосфора» [4].
Высокоплодородные естественные (природные) почвы – черноземы и серые лесные почвы преобладают в сельхозугодьях региона.
Цель исследования: представить трансформирование гидротермических показателей (температура и влажность) почв и мобильного органического вещества природных и антропогенно измененных почв в разных местоположениях.
Материалы и методы исследования
Многие авторы указывают, что уклон поверхности в сочетании с экспозицией склона имеют большое значение для процессов, протекающих в почве, поскольку они влияют на поступление солнечного тепла, стока и накопление влаги атмосферных осадков. Н.С. Кухарук и др. указывают, что время солнечного освещения меньше на склонах, чем на горизонтальной поверхности и именно летом наиболее выражены различия между склонами [5].
Выявлено, что лимит теплоснабжения и увлажнения предопределяют высокую чувствительность почв к антропогенным воздействиям. В лесостепной зоне, по мнению многих авторов, потенциальное плодородие почв довольно высокое. Реакция среды варьируется от нейтральной до слабощелочной. В почвенном поглощающем комплексе доля магния увеличивается с глубиной. Гумус сосредотачивается в пахотном горизонте, существенно уменьшаясь в подпахотном.
Исследовались почвы, которые расположены на наклонной поверхности юго-восточной и юго-западной экспозиции (рис. 1).
Объекты изучения – чернозем слабовыщелоченный среднемощный с бобово-подорожниково-овсецовой растительностью с хвощом (т. 5). Подробные физико-химические свойства почв представлены в работе [6]. Пашня – т. 6 характеризуется неровной поверхностью с небольшими струйчатыми размывами. Систематическая обработка пахотного горизонта существенно меняет морфологическую структуру почвы. Предшествующие исследования (D.T. Mihailovich etc., V. Civic etc.) ранее отмечали повышенную чувствительность лесостепных черноземов к изменениям температуры воздуха и количеству осадков [7, 8].
Настоящее исследование опиралось на помесячные данные наблюдений о температуре воздуха и осадках с метеостанции «Шарыпово».
Применялись методы: ландшафтно-геохимические, сравнительно-географические, сравнительно-аналитические, профильно-генетические, картографические и статистические.
В середине лета, в июле, на заданных постоянных точках были взяты образцы почв на химический анализ. Почвенные пробы отбирались и анализировались по общепринятым методикам химического анализа и согласно ГОСТам [9]. В течение всего периода наблюдений пашни находились под посевами (не считая времени, когда находились под «паром»). Многолетние режимные исследования дали возможность получить данные по исследованию динамики температуры и влажности природных и антропогенно трансформированных почв Назаровской лесостепи.
Результаты исследования и их обсуждение
Анализ годовых сумм осадков по метеостанции «Шарыпово» за 1986–2018 гг. показал их соответствие норме (444 мм). Отдельные положительные и отрицательные колебания осадков приводили к тому, что размах амплитуды осадков превышал двукратный размер.
За исследуемый 33-летний период выявилось значительное превышение нормы в течение семи лет, а значения ниже нормы были в течение четырех лет. В 1996, 2009 и 2010 гг. фиксировались отрицательные среднегодовые значения температуры воздуха.
Наибольшие среднегодовые температуры воздуха были отмечены в 1995, 2002, 2007, 2015 и 2017 гг. – более 3,0 °С при норме 0,9 °С (рис. 2).
По данным метеостанции «Шарыпово» в июле средняя температура воздуха колебалась от 15,8 до 20,3 °С, а количество осадков изменялось более чем в 8 раз (регистрировались значения от 21 до 169 мм).
Установлено, что осадки, выпадающие в летний период, увлажняют только верхний 10–20 см слой почвы, глубже, до 50–80 см, промачивание наблюдается относительно редко. В почве пополнение запасов влаги (влагозарядка) происходит только в осенний период, поскольку затраты на транспирацию и физическое испарение незначительны. Исследования, проведенные в Центральной Канаде, обнаруживают отклик почвенного органического вещества на климатическую динамику [10].
Агротехнические мероприятия оказывают сильное воздействие на почвы, находящиеся в сельскохозяйственном использовании. Это приводит к изменениям их свойств. Многими авторами выявлено, что после распашки снижения запасов гумуса максимальны в первые годы, затем его содержание становится стабильным, но на более низком уровне. Существенные изменения происходят в физико-химических и водно-физических свойствах почвы. В летнее время усиливается прогревание пахотного горизонта, вследствие чего растут температура почвы и амплитуда колебаний влажности. Вследствие повышенного физического испарения и потребления влаги корнями культурных растений в верхней части почвенного профиля происходит самый интенсивный расход влаги.
Количественные измерения позволили утверждать, что пахотные почвы, расположенные на склоне юго-восточной (т. 6) и юго-западной экспозиции (т. «Родники»), имеют похожую величину гумусового горизонта – 34–38 см, количество гумуса отличается незначительно. Содержание гумуса в разы уменьшается в подпахотном горизонте: т. 6 – в 2,5 и т. «Родники» – в 2 раза.
а) б)
Рис. 1. Территория исследования. Склон юго-восточной экспозиции: чернозем слабовыщелоченный среднемощный (а); склон юго-западной экспозиции, березовый высокотравный лес с темно-серой лесной почвой (антропогенная модификация – пашня) (б) (фото И.Б. Воробьевой)
а)
б)
Рис. 2. Среднегодовая (а) и среднеиюльская (б) температура воздуха и сумма осадков по данным метеостанции «Шарыпово»
В природных почвах и их антропогенных модификациях зафиксированы незначительные изменения показателей рН, в диапазоне слабокислой реакции среды (колебания в пределах 0,55 значений рН) в средней части профиля.
Общеизвестно, что содержание влаги в почве отражает процессы увлажнения атмосферы (рис. 3).
Южные склоны хорошо прогреваются, и на них отмечены почвы с повышенной температурой и пониженным увлажнением, а на северных склонах – почвы с пониженной температурой и повышенным увлажнением. В почве, расположенной на склоне юго-западной экспозиции (т. «Родники»), обнаружено максимальное содержание влаги, что подтверждается ранее полученными данными.
Исходя из имеющихся метеонаблюдений установлено, что восемь лет из изучаемого периода 1986–2018 гг. по гидротермическим показателям (пониженным температурам, высокому содержанию влаги в почве, малому количеству водорастворимых форм углерода) можно признать чрезвычайными. Ранее проведенные исследования показали, что увеличение влажности почвы способствует образованию подвижных форм органического вещества и его вымыванию за пределы почвенного профиля [6]. Годы, последующие за холодными, как правило, теплые, с минимальной суммой осадков. В эти теплые годы отмечается дефицит влаги, и подвижные органические соединения концентрируются в почве.
Рассмотрение данных запасов общего углерода, водорастворимых форм углерода (органического, минерального), элементов – кальция, магния и влажности – выявил существенные различия в характере их распределения в почвенном профиле (таблица).
Агротехнические мероприятия (система обработки почвы, севообороты, удобрения, борьба с сорняками и др.), используемые в сельском хозяйстве, приводят к значительным изменениям физико-химических и водно-физических свойств. Установлено, что природные и пахотные почвы имеют общие закономерности в изменении водорастворимых форм углерода, которое выражается в уменьшении амплитуды колебаний.
Заключение
Изучение динамики температуры, влажности и подвижного органического вещества в природных почвах и их антропогенно-измененных модификациях (пашне), расположенных в разных условиях (на склонах юго-восточной и юго-западной экспозиции) выявило некоторые закономерности в изменении температуры, влажности, содержании общего, органического и минерального углерода.
а)
б)
Рис. 3. Динамика запасов влаги в черноземе слабовыщелоченном среднемощном – т. 5 (а) и антропогенно измененном – т. 6 – пашня (б) и количество осадков (июль)
Запасы водорастворимых форм элементов (кг/га) и влаги (мм)
|
Запасы, кг/га |
Юго-восточная экспозиция, глубина, см |
Юго-западная экспозиция «Родники», глубина, см |
||||||
|
Т. 5 |
Т. 6 (пашня) |
лес |
пашня |
|||||
|
0–20 |
0–50 |
0–20 |
0–50 |
0–20 |
0–50 |
0–20 |
0–50 |
|
|
Собщ., т/га |
140 |
270 |
107 |
194 |
517 |
617 |
72 |
149 |
|
Сорг. |
731 |
1547 |
609 |
759 |
1159 |
1839 |
231 |
879 |
|
Смин. |
48 |
112 |
194 |
540 |
67 |
115 |
59 |
127 |
|
Сa |
28 |
346 |
414 |
1116 |
277 |
495 |
141 |
337 |
|
Mg |
33 |
41 |
54 |
167 |
31 |
116 |
54 |
115 |
|
w, мм |
28 |
70 |
15 |
47 |
55 |
131 |
36 |
103 |
В результате длительной распашки антропогенные модификации природных почв – пашни приобрели существенные отличия по ряду физических и химических свойств, от своих природных аналогов. Наиболее глубокие изменения зафиксированы в почвенном поглощающем комплексе и водно-физических свойствах.
Выявлено, что природные почвы, в отличие от их антропогенных аналогов, обладают большими запасами влаги, гумуса и водорастворимых форм углерода.
Таким образом, четко прослеживается зависимость физико-химических и водно-физических свойств антропогенно измененных почв от экспозиции склона. Пашни на склоне, обращенном на юго-восток, обладают наиболее благоприятными физико-химическими и водно-физическими свойствами для сельскохозяйственного использования.