Научный журнал
Фундаментальные исследования
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,118

ОСОБЕННОСТИ ИЗМЕНЕНИЯ ВАЛОВОГО ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА ЛЕСОСТЕПНЫХ И СТЕПНЫХ ПОЧВ В РЕЗУЛЬТАТЕ ИХ АГРОГЕННЫХ ТРАНСФОРМАЦИЙ

Родионова М.Е. 1
1 ГОУ ВПО «Белгородский государственный национальный исследовательский университет», Белгород
Исследован валовой химический состав зональных почв лесостепи и степи в рядах агрогенных трансформаций с использованием рентген-флуоресцентного метода с целью выявления закономерностей поведения микроэлементов в верхнем гумусо-аккумулятивном горизонте длительно обрабатываемых почв. Объектами исследования выбраны зональные почвы лесостепи и сухой степи. Ключевые участки закладывались с учетом пространственно-временных моделей территорий. Для анализа изменений свойств почв в агрохронорядах применяли геохимические коэффициенты: коэффициент элювиирования, соотношение кремнезема и полуторных оксидов, коэффициент накопления микроэлементов (модифицированный коэффициент Д.М. Шоу). Проанализированы ряды накопления элементов в почвах по отношению к почвообразующей породе. Рассчитана корреляционная связь Спирмена в рядах накопления по 18 макро- и микроэлементам. Выявлены закономерности в изменении содержания фосфора в ряду целина-залежь-пашня. Обнаружена дифференциация разновозрастных залежей по накоплению свинца и мышьяка. Установлено увеличение выветривания основных катионов с длительностью сельскохозяйственного использования. Полученные результаты могут использоваться для управления элементным состоянием в агроландшафтах лесостепной и степной зон.
почвенная геохимия
валовой химический состав
агрогенная трансформация
агрохронологические ряды
1. Замураева М.Е. Изменение структурного состояния почв в агроландшафтах разной длительности использования // Модели автоматизированного проектирования адаптивно-ландшафтных систем земледелия: сборник докладов Всероссийской научно-практичкеской конференции. - Курск: ГНУ ВНИИЗиЗПЭ РАСХН, 2010. - С. 133-137.
2. Кабата-Пендиас А. Проблемы современной биогеохимии микроэлементов // Российский химический жур- нал. - 2005. - №3. - С. 15-19.
3. Кирилюк В.П. Микроэлементы в компонентах биосферы Молдовы. - Ch.: Pontos, 2006. - 156 p.
4. Крыжицкий С.Д. Античные поселения Нижнего Побужья (археологическая карта) / С.Д. Крыжицкий, С.Б. Буйских, В.М Отрешко; отв. ред. А. С. Русяева. - Киев: Наук. думка, 1990. - 136 с.
5. Лисецкий Ф.Н. Использование ГИС-технологий для картографирования территорий разной длительности земледельческого освоения / Ф.Н. Лисецкий, М.Е. Замураева, Я.В. Кузьменко // Историческая география на рубеже веков: сборник научных трудов к 80-летию со дня рождения В.С. Же- кулина (1929-1989). - СПб.: СПбГУ, 2010. - С. 131-147.
6. Визначник еколого-генетичного статусу та родючості ґрунтів України / М.I. Полупан, В.Б. Соловей, В.I. Кисiль и др. - К.: Колообiг, 2005. - 304 с.
7. Протасова Н.А. Микроэлементы в черноземах и серых лесных почвах Центрального Черноземья / Н.А. Протасова, А.П. Щербаков. - Воронеж: Воронеж. гос. ун-т, 2003. - 368 с.
8. Lisetskii F.N. Agrogenic transformation of soils in the dry steppe zone under the impact of antique and recent land management practices // Eurasian Soil Science. - 2008. - Vol. 41, № 8. - P. 805-817.
9. Determination of soil loss tolerance of an entisol in Southwest China / G. Liu, L. Li, L. Wu et al. // Soil Sci. Soc. Am. J. - 2009. - Vol. 73, № 2. - P. 412-417.
10. Retallack G.J. Soils and Global Change in the Carbon Cycle over Geological Time // Treatise On Geochemistry. - 2003. - Vol. 5. - P. 581-605.

Почва - одна из самых консервативных подсистем биогеоценоза, играющая буферную роль и служащая фильтром, изменяющим состав проходящих через нее потоков вещества. В результате хозяйственной деятельности человека происходит перераспределение части элементов в биосфере. Геохимические и биогеохимические процессы значимо различаются в природных и сельскохозяйственных ландшафтах, почва включает эти изменения в свою «память».

Разнообразие географических условий, почвообразующих пород, литолого-минералогического состава твердой фазы почв и пород предопределило широкое варьирование элементов в почвах разных регионов. Поведение микроэлементов будет различным как для разных элементов в почве, так и для одного элемента в разных почвах. Переход элементов из почвы в растения определяется почвенными характеристиками и системой земледелия [2]. О степени перераспределения элементов растениями можно судить по их коэффициенту биологического поглощения (КБП), представляющему собой частное от деления концентрации элемента в золе растений к его концентрации в почвообразующей породе [7; 8]. На аккумуляцию рассеянных элементов сильно влияют конкретные природные условия. Некоторые элементы сильнее поглощаются растительностью в одних ландшафтах, слабее - в других. Кроме того, для разных элементов КБП может значительно варьироваться в зависимости от времени года, количества осадков, вида, фазы вегетации, возраста растения, свойств почвы. Управление состоянием микроэлементов в агроландшафтах тем эффективнее, чем более полны знания о геохимических особенностях их распределения и накопления в конкретных ландшафтно-экологических условиях.

Целью нашего исследования было изу­чение различий валового химического состава в рядах агрогенных трансформаций почв лесостепной и степной зон для выявления закономерностей геохимического поведения микроэлементов в верхнем гумусо-аккумулятивном горизонте длительно обрабатываемых почв.

Объектами исследования выбраны зональные почвы лесостепи (черноземы оподзоленные, темно-серые лесные) и сухой степи (темно-каштановые) в соответствии с современным почвенно-географическим районированием [6] (рисунок). Ключевые участки устанавливали в соответствии с методом почвенных агрохронорядов, основываясь на анализе истории хозяйственного освоения земель. Для этого были разработаны пространственно-временные модели территорий [5]. Отбор почвенных образцов осуществляли в 2009 и 2010 годах на плакорах и слабопокатых склонах (не более 3) с глубины 0-20 см (фиксируются основные изменения пахотного и гумусо-аккумулятивного горизонта). Для лесостепного полигона, где в большей степени исследовалась современная пашня разной длительности освоения, отбор почвенных образцов производили так же и с подпахотного слоя (20-40 см).

Полигон «Хотмыжский» выбран как участок с наибольшей продолжительностью аграрного освоения в лесостепной зоне на западе Центрального Черноземья. Он располагается в юго-западной части Среднерусской возвышенности на высоком правом берегу р. Ворскла (левый приток Днепра). Правый берег высоко поднимается над поймой реки и сильно изрезан овражно-балочной сетью. Почвообразующая порода - четвертичные лессовидные суглинки, которые достигают наибольшей мощности (10 м и более) на возвышенных плато. Преобладающие типы почв - серые, темно-серые и черноземы оподзоленные. Территория относится к южной части атлантико-континентальной климатической области на границе с континентальной. Средняя температура в июле составляет +20 °С, в январе - 8 °С. В Поворсклье к концу VIII - началу IX века появляются поселения славян (роменская культура), в начале XII века на месте поселка северян и пограничной крепости Переяславского княжества возникает древнерусский город Хотмысль. Проведенная ранее реконструкция древнего земледелия [5] позволила обнаружить достоверные различия в свойствах почв одного из реконструируемых участков [1].

Расположение объектов исследования: I - лесостепная зона, II - северостепная зона, III - северостепная умеренно засушливая зона, IV - сухостепная зона; полигоны: 1 - «Хотмыжский», 2 - «Ольвийский»

Полигон «Ольвийский» располагается в сухостепной зоне на правом берегу Бугского лимана в 5 км к югу от древнегреческого города-полиса Ольвия, у Крестовой балки. Рельеф представляет собой плоскую лессовую равнину, расчлененную оврагами и балками в узкой (не более 2 км) прибрежной зоне. Климат засушливый, среднегодовая температура 9,9 °С. Здесь, на темно-каштановых солонцеватых почвах в сочетании с луговыми солончаками и глеесолодями подов, в сельской округе Ольвии античные землепашцы выращивали, по-видимому, в основном зерновые культуры [4]. У Крестовой балки находились два поселения архаического времени (VI-III вв. до н.э.), и многослойное поселение эллинистического и римского времени (конца I в. до н.э. - середины III в. н.э.) с керамическим материалом XII-XIII вв. [4]. Таким образом, продолжительность сельскохозяйственной деятельности античного времени на этом полигоне можно оценить в 600 лет по датировкам обнаруженных здесь поселений.

Общее содержание элементов в почве определено по методике измерений массовой доли металлов и их оксидов в порошковых образцах почв методом рентген-флуоресцентного анализа на приборе «СПЕКТРОСКАН-МАКС-GV». Установлены массовые доли 18 макро- и микроэлементов для почв лесостепного и степного участков. Коэффициент аккумуляции определяли как отношение содержания каждого элемента в почве и почвообразующей породе. По полученным значениям этого коэффициента были построены ряды накопления элементов и рассчитаны ранговые корреляции Спирмена в программе Statistica 6.0.

Различные геохимические коэффициенты - отношения макро- и микроэлементов - позволяют обнаруживать изменения в свойствах различных почв [10]. Коэффициент накопления микроэлементов Шоу (традиционно определяется как среднеарифметическое) был модифицирован и рассчитывался как среднее геометрическое значение отношений содержания каждого микроэлемента (Mn, Zn, Cu, Ti, Ni, Cr, V) в почве и почвообразующей породе (R). Рассчитан модифицированный показатель соотношения кремнезема и полуторных оксидов (SiO2:(10·R2O3)) и коэффициент элювиирования (Кэ) (без учета натрия) в почвах и почвообразующих породах, который предложено [9] определять по формуле: Кэ = SiO2:(RO + R2O).

Ряды накопления на лесостепном полигоне имеют следующие различия в зависимости от угодий и длительности агрогенеза. Нагорная дубрава: Cu > Co > MnO > As > > Sr > TiO2 > V > Pb > K2O > SiO2 > Cr > 1 >
> Al2O3 > Zn > Fe2O3 > P2O5 > CaO > Ni >
> MgO. Огородная почва:

а) 6-ти лет обработки - MnO > Cu > > P2O5 > Co > CaO > Sr > As > Pb > Zn >
> MgO > Ni > TiO2 > V > Fe2O3 > K2O >
> Cr > SiO2 > 1 ≥ Al2O3;

б) окультуренная в IX-XII веке, активно используемая с середины XVII века, побывавшая в залежи 80 лет и возобновленная 8 лет назад - Cu > MnO > P2O5 > CaO >
> Sr > Zn > Co > Pb > As > MgO > Ni >
> K2O > Fe2O3 > TiO2 > V > 1 > SiO2 >
> Cr > Al2O3;

в) окультуренная в IX-XII вв., активно используемая с середины XVII в. - Cu > MnO > Co >> Pb > As > Sr > P2O5 >
> Zn > CaO > V > Ni > TiO2 > Fe2O3 >
> K2O > Cr > Al2O3 > 1 > SiO2 > MgO. Пашня (в среднем): MnO > Cu > Co > As > Pb > > Sr > Ni ≥ TiO2 ≥ V > Fe2O3 > Zn > CaO >
> K2O > Al2O3 > P2O5 > Cr > SiO2 > 1 > MgO.

С ростом периода освоения отмечается уменьшение содержания фосфора и увеличение содержания меди, свинца, мышьяка, цинка. Накопление этих элементов характерно для черноземов и лесных почв по сравнению с другими типами почв [3], по-видимому, агрогенная обработка усиливает этот эффект. На пашне цинк накапливается менее активно, чем в огородной почве.

Почвы Ольвийского полигона так же различаются по распределению макро- и микроэлементов в ряду агрогенных трансформаций. Накопление элементов по отношению к почвообразующей породе на целине: As >> MnO > K2O > Fe2O3 > Zn >
> SiO2 > Rb > Cr > TiO2 > Al2O3 > Pb > V >
> P2O5 > 1 > Ni > Na2O > Cu > Sr > Co >
> MgO > GaO. Ряды накопления элементов залежи:

а) постантичной - As >> MnO > Fe2O3 >
> SiO2 > Zn > K2O > Rb > TiO2 > Cr >
> Pb > V > Al2O3 > 1 > Ni > P2O5 > Na2O >
> Cu > Sr > MgO > Co > GaO;

б) пятилетней залежи с предшествующим периодом обработки в 35-45 лет - As >> MnO > K2O > Zn > SiO2 > Fe2O3 > Rb >
> Al2O3 > TiO2 > Cr > 1 > V > P2O5 > Na2O >
> Ni > Pb > Cu > Sr > MgO > Co > GaO;

в) пятилетней залежи, входившей в зону античного межевания, повторно распаханной в 50-60-е гг. XIX века, два десятилетия эксплуатируемая под виноградниками - As >> MnO > Fe2O3 > Zn > SiO2 > K2O >
> Rb > Al2O3 > Pb > TiO2 > Cr > V > Ni >
> 1 > Na2O > P2O5 > Cu > Sr > MgO > Co >
> GaO.

Ряд накопления элементов пашни, входившей в зону античного земледелия: As >> MnO > Fe2O3 > Zn > K2O > SiO2 >
> Rb > Al2O3 > V > TiO2 > Cr > Pb > Ni >
> 1 > Na2O > P2O5 > Cu > Sr > MgO > Co >
> GaO.

Таким образом, фосфор накапливается только на целине, уже в постантичной залежи его содержание ниже, чем в почвообразующей породе на 15-23 %. Свинец же начинает накапливаться более активно в обрабатываемых почвах. С увеличением периода агрогенеза этот тренд сохраняется: на молодой залежи и пашне, находящихся в ареале античного межевания, позиция фосфора в ряду накопления идет за натрием. Молодая залежь, входившая в зону античного межевания, отличается накоплением свинца и никеля. Это же характерно и для современной пашни. Кроме того, в пашне и молодой залежи концентрация мышьяка на 30-60 % выше по сравнению с целиной.

Полученные результаты дают основание предположить антропогенный характер вклада в аккумуляцию и рассеяние перечисленных элементов. Существующие представления о поступлении химических элементов в почву из средств химизации сельского хозяйства подтверждают это предположение: в навозе и фосфорных удобрениях наиболее существенное по набору и концентрации содержание примесей. Химические средства защиты минерального и органоминерального состава содержат высокотоксичные металлы: ртуть, свинец, мышьяк, медь и висмут, а также фтор, бор, олово и цинк. В средствах защиты растений в зависимости от наименования препарата может содержаться 20-60 % мышьяка (парижская зелень, протарс, арсениты натрия и кальция, арсенат кальция, мышьяковый ангидрид), до 60 % свинца [3].

Анализ ранговых корреляций для степного полигона выявляет более тесную связь между объектами хроноряда и меньшую дифференциацию по содержанию элементов, чем в лесостепной зоне. Для лесостепного полигона отмечается большее накопление элементов (по отношению к материнской породе), чем на степном участке. Это объясняется активным накоплением элементов в гумусо-аккумулятивном горизонте лесостепных почв (биогеохимический барьер) и слабой латеральной дифференциацией сорбированных и валовых форм микроэлементов, за исключением участвующих в биогенной и гидрогенной аккумуляции. По Н.С. Касимову, в сухостепных почвах происходит выветривание силикатных пород, а за счет степного почвообразования и селективного биогенного поглощения происходит мобилизация элементов и комплексообразователей. Щелочная среда (рН = 7,57) повышает доступность и вынос этих, в целом слабо подвижных элементов.

Геохимические коэффициенты, иллюстрирующие процессы почвообразования верхних горизонтов исследуемых полигонов на микроэлементном уровне, представлены в табл. 1 и 2.

Таблица 1 Валовой химический состав почвенных образцов лесостепного полигона(0-20/20-40 см)

Геохимические коэффициенты элементов

Почвообразующая порода

Лес

Огородная почва

Пашня (чернозем оподзоленный)

Пашня (темно-серая лесная)

0

6

1100-800

1000-80 (залежь)-8

100-70

100-70

200-150

1100-800

100-70

200-150

300-250

300-250

Кэ

23,52

31,12

10,77

16,71

7,22

20,25

18,35

20,23

19,15

19,48

22,97

21,02

17,55

32,14

10,69

18,52

7,46

19,72

18,03

19,29

20,00

18,93

20,15

19,02

15,41

SiO2/(10R2O3)

0,71

0,96

0,69

0,57

0,71

0,62

0,56

0,51

0,55

0,53

0,73

0,64

0,50

0,96

0,70

0,63

0,77

0,60

0,48

0,55

0,57

0,52

0,61

0,53

0,44

(Fe2O3+MnO)/Al2O3

0,33

0,24

0,43

0,48

0,41

0,43

0,46

0,39

0,39

0,41

0,43

0,41

0,43

0,25

0,42

0,42

0,47

0,42

0,37

0,45

0,42

0,43

0,37

0,37

0,41

SiO2/Fe2O3

28,42

49,46

23,59

17,95

24,99

21,04

18,13

18,62

19,79

18,49

24,67

22,43

16,87

48,93

24,11

21,51

24,77

20,73

18,05

18,09

19,49

17,55

23,06

19,58

15,56

SiO2/Al2O3

9,50

11,92

9,83

8,43

9,99

8,69

8,02

7,05

7,60

7,39

10,38

8,99

7,15

11,93

9,82

8,91

11,25

8,48

6,62

7,88

8,03

7,43

8,26

7,18

6,22

G

24,70

28,38

28,89

26,09

29,16

27,29

26,38

26,60

26,85

26,46

26,93

26,24

25,80

27,69

28,27

26,55

30,19

26,78

26,80

25,54

26,28

26,04

27,86

26,08

25,13

S

56,54

64,81

63,89

59,23

63,85

62,49

60,45

61,19

61,60

60,72

61,59

60,05

59,22

63,21

62,47

60,39

64,80

61,38

61,67

58,63

60,29

59,79

63,92

59,93

57,93

R

-

1,60

2,89

3,85

2,88

3,02

3,24

3,73

3,06

3,27

2,59

2,63

3,59

1,38

2,81

3,12

3,17

2,85

3,33

3,19

2,99

3,48

2,59

3,14

3,47

В лесостепной зоне почва с наибольшей продолжительностью обработки в верхнем горизонте обеднена оксидами магния, марганца, кальция, калия. При этом залежный режим в течение 80 лет не восстанавливает баланс полностью. В целом, коэффициент элювиирования на пашне до 2 раз превышает показатель в огородной почве, причем длительно обрабатываемая огородная почва по соотношению содержания оксидов к кремнезему ближе к пашне, что указывает на более интенсивный вынос основных почвенных катионов. В степной зоне Кэ на целине ниже, чем на почвах, в той или иной степени подвергшихся сельскохозяйственной нагрузке.

Таблица 2 Валовой химический состав сухостепного полигона (0-20 см)

Геохимические коэффициенты макро- и микроэлементов

Почвообразующая порода

Целина

Постантичная залежь

Залежь 3-5 лет

Пашня, входившая в зону античного земледелия

Кэ

2,31

16,65

19,62

20,36

18,64

17,89

19,72

19,46

SiO2/ (10R2O3)

0,54

0,62

0,65

0,60

0,62

0,63

0,58

0,57

(Fe2O3+MnO)/Al2O3

0,26

0,34

0,35

0,32

0,35

0,31

0,33

0,31

SiO2/Fe2O3

26,56

24,80

25,47

24,89

24,05

26,86

23,71

24,48

SiO2/Al2O3

6,82

8,32

8,72

7,86

8,32

8,23

7,62

7,40

G

24,33

27,00

26,11

27,29

26,65

27,53

26,89

27,34

S

55,09

60,44

58,89

61,55

59,71

61,52

60,37

61,57

R

1,00

1,19

1,15

1,32

1,18

1,04

1,19

1,23

Примечания: Кэ - коэффициент элювиирования; SiO2: (10R2O3) - соотношение кремнезема и полуторных оксидов, характеризующее внутрипочвенное выветривание; G - свободная энергия Гиббса, Дж/гК; S - энтропия, Дж/гК.; R - коэффициент накопления микроэлементов.

Накопление полуторных оксидов по слоям 0-20 и 20-40 см варьируется незначительно как по горизонтам, так и по агрогенным рангам. На степном полигоне содержание полуторных оксидов по соотношению к кремнезему убывает в ряду почвообразующая порода > пашня > молодая залежь > постантичная залежь > целина. С увеличением сельскохозяйственной обработки SiO2/Al2O3 убывает в ряду целина > постантичная залежь > молодая залежь > пашня.

Энергетические коэффициенты (Гиббса и энтропии) не проявили индикационных различий в агрогенном ряду.

Коэффициент окисления почвенного материала ((Fe2O3 + MnO)/Al2O3) в лесостепи выше, чем в степи на 27 %. При этом на лесостепном полигоне в гумусо-аккумулятивном слое прослеживается тенденция снижения коэффициента с увеличением длительности и интенсивности (огородная почва и пашня) использования, которая требует дальнейшего изучения. Так на лесостепном участке коэффициент окисления почвенного материала для огородной почвы на 25-45 % выше, чем в почвообразующей породе; на 70-100-летней пашне - на 24-39 %, 150-300-летней пашне - на 18-30 %, на наиболее древней пашне разница с почвообразующей породой достигает 18 %.

В результате проведенного исследования обнаружено несколько закономерностей в изменении валового химического состава лесостепных и степных почв, подвергшихся длительному сельскохозяйственному освоению.

  1. Для почв лесостепи и степи характерно снижение содержания фосфора в ряду целина > залежь > пашня, что объясняется высоким коэффициентом биологического поглощения, составляющим 88 по отношению к почве [3] и выносом элемента из агроландшафта вместе с сельскохозяйственной продукцией. Перераспределение фосфора и большинства микроэлементов в лесостепи на пашне, в верхнем горизонте не обнаруживает четкой зависимости от длительности распашки.
  2. В сухостепной зоне дифференциация разновозрастных залежей, пашни и целины выражена через более интенсивное накопление свинца и мышьяка. По нашему мнению, накопление этих элементов в агроландшафте связано с использованием средств химизации при сельскохозяйственной обработке культур.
  3. Выветривание основных катионов, выносимых в почвенный раствор, увеличивается по мере увеличения длительности землепользования. Так, коэффициент элювиирования в степной зоне для целины ниже, чем у почв, подвергшихся антропогенному преобразованию. В лесостепной зоне огородная почва наиболее длительного освоения по содержанию оксидов приближается к значениям на пашне, что указывает на более интенсивный вследствие большей продолжительности освоения вынос основных почвенных катионов. Элювиирование в пахотном горизонте протекает активнее, чем в подпахотном.

Список литературы

Рецензенты:

  • Чернявских В.И., д.с.-х.н., зам. генерального директора ЗАО «Краснояружская зерновая компания», Белгородская область, п. Чернянка;
  • Смирнова Л.Г., д.б.н., профессор, зав. лабораторией адаптивного растениеводства Белгородского НИИСХ Россельхозакадемии, г. Белгород.

Работа поступила в редакцию 13.01.2012.


Библиографическая ссылка

Родионова М.Е. ОСОБЕННОСТИ ИЗМЕНЕНИЯ ВАЛОВОГО ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА ЛЕСОСТЕПНЫХ И СТЕПНЫХ ПОЧВ В РЕЗУЛЬТАТЕ ИХ АГРОГЕННЫХ ТРАНСФОРМАЦИЙ // Фундаментальные исследования. – 2012. – № 3-2. – С. 333-338;
URL: http://fundamental-research.ru/ru/article/view?id=29604 (дата обращения: 24.05.2018).

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 = 1.252