Влияние распашки на биохимические свойства черноземов Юга России. Монография

Содержание гумуса - наиболее важный показатель плодородия и экологического состояния черноземов. В черноземах гумусообразование и гумусонакопление достигают максимальной интенсивности и совершенства. Однако в связи с интенсивным сельскохозяйственным использованием в этих почвах заметно ухудшаются качественно-количественные показатели гумуса. При интенсивной минерализации гумуса пахотные черноземы приобретают черты выпаханности. При распашке черноземов и их дальнейшем использовании в сельском хозяйстве отмечают активное развитие процесса дегумификации. Распашка черноземов приводит не только к их дегумификации, но к изменениям фракционно-группового состава гумуса (Русанов, 1999; Balota et al., 2004; Девятова, Щеглов и др., 2004; Безуглова, 2008).

Любое изменение в системе землепользования, севообороте, способах обработки почвы, дозах удобрений приводит к изменению в количественном и качественном составе органического вещества (Fontaine et al., 2003; Salazar et al., 2011; Зинякова, 2014).

Распашка почв приводит к серьезным изменениям в количественных и качественных характеристиках растительного субстрата, поступающего в почву. Также изменяется режим его поступления. Все это вызывает интенсификацию процессов микробиологического окисления органического вещества почв. Потери и недостаток легкоразлагаемых органических веществ неизбежно приводит к усилению процессов выпахивания: к ухудшению структуры, физических и водно-физических свойств, питательного режима почв.

Вцелинных почвах стабильно равновесие: поступление органических остатков – гумификация – минерализация гумуса. Это устоявшееся веками равновесие сохранялось до распашки почв. Резкое нарушение равновесия связано с сокращением притока органических веществ с пожнивными и корневыми остатками культурной растительности. Это неизбежно вызывает процессы дегумификации (Орлов и др., 1996; Когут и др., 2011, 2012).

Впочве агроценозов, как правило, содержится меньше Сорг, чем в почве того же типа естественных угодий (Орлов, Бирюкова, 1995; Орлов и др., 1996; Schnitzer et al., 2006; Зинякова, 2014). Значительной агрогенной деградации подвержены черноземные почвы, в которых ежегодно теряется

31

до 0.23-1.74 т/га органического углерода (Орлов и др., 1996; Сорокина, Когут, 1997; Щербаков, Надежкин, 2000).

Почвенные ферменты обеспечивают протекание множества важнейших реакций в почвах, и являются чувствительным и отзывчивыми показателями их состояния. Ферментативная активность почв предложена как потенциальный индикатор качества почвы из-за их связи с почвенной биотой, легкости определения, и быстрого ответа на изменения, вызванные сельскохозяйственным освоением (Bergstrom et al., 1998).

Результаты, полученные в различных исследованиях о влиянии различных методов ведения сельского хозяйства на функциональные способности почвы часто противоречивы. Согласно одним исследованиям, активность ферментов выше на необрабатываемых почвах, чем в окультуренных почвах. Распашка может снижать активность ферментов почвы за счет снижения содержания органического вещества (Acosta-Martinez et al., 1984), или он может вызывать их повышение за счет создания новых поверхностей, при разрушении почвенных агрегатов плугом (Dick, 1984). Противоречивые последствия выявили и для выпаса скота. Некоторые исследования показали, что выпас может привести к увеличению биохимической активности из-за присутствия экскрементов животных (Haynes, Williams, 1993) другие, что он может привести к снижению биохимической активности, как правило, из-за вытаптывания и уплотнения (Conant et al., 2001; Katsalirou et al., 2010).

Исследования показали, что процесс образования органического вещества напрямую связан с почвенными организмами (Kayranli et al., 2010). На микробиологические и биохимические свойства почв и их взаимосвязь больший эффект оказывает длительная сельскохозяйственная практика, чем кратковременное воздействие (Smemo et al., 2006). Нарушение почв при длительном сельскохозяйственном прессе может влиять на микробную биомассу, активность ферментов, и количество и качество органического вещества. Что в свою очередь может повлиять на функционирование эко-

систем и их устойчивость (Katsalirou et al., 2010).

Снижение содержания гумуса в почвах при их распашке, как правило, влечет за собой снижение их биологической активности. (Казеев и др., 2004; Даденко, 2004; Вальков и др., 2009). Устойчивость биологических

32

процессов в почве к антропогенному воздействию зависит от ее генетических свойств, таких как емкость ППК, содержание органического вещества, окислительных условий, рН и др. Среди почв Юга России наиболее устойчивыми являются черноземы типичные Предкавказья (Казеев и др., 2004).

Значение ИПБС (интегральный показатель биологических свойств) пахотных горизонтов почв Юга России значительно ниже, чем в гумусовых горизонтах целинных (залежных) аналогов и убывает в следующем порядке: чернозем типичный > чернозем выщелоченный > чернозем обыкновенный (предкавказский) > чернозем выщелоченный слитой > чернозем обыкновенный (североприазовский) > каштановая > серая лесостепная почва > желтозем > бурая лесная почва (Казеев и др., 2004).

Ферментативная активность целины и залежи выше по всем показателям по сравнению с пашней, что соответствует и более высокому содержанию в них гумуса. Следовательно, ферментативная активность отражает ухудшение гумусового состояния пахотных земель (Гончарова и др., 1990).

При заселении распахиваемых почв естественными ценозами ферментативные процессы резко активизируются. Ферментативная активность залежи значительно превосходит ферментативную активность пашни, но не достигает уровня целины. Эта же закономерность выявлена и для содержания гумуса в изучаемых почвах. Таким образом, при заселении распахиваемых почв естественными ценозами происходит восстановление гумусового и биологического потенциала чернозема. Но для полного восстановления естественного плодородия требуется много времени, так как даже на 50-летней залежной почве не происходит полного восстановления гумусового потенциала, а, следовательно, и создания оптимального биохимического режима почв (Гончарова и др., 1990).

Активность ферментов в целинных черноземах несколько выше, чем на пашне, как в верхних горизонтах, так и по всему почвенному профилю. В пахотных горизонтах черноземов предкавказских ФА в целом сопоставима с таковой в североприазовских. Однако вследствие большей мощности генетических горизонтов черноземов предкавказских они обладают большим ферментативным пулом (Даденко, 2004; Казеев и др., 2004, 2008).

Некоторые ученые показывают, что ферменты, связанные с различными циклами биогенных элементов и участвующие в различных стадиях де-

33

градации веществ не всегда отвечают на изменение режима землепользова-

ния (Sinsabaugh et al., 1991; Trasar-Cepeda et al., 2007). Другие предполага-

ют, что активность почвенных ферментов может представлять собой целостный взгляд на акклиматизационный ответ микробного сообщества на изменение экологических условий территории и изменения содержании органического вещества в результате землепользования (Boerner et al., 2005).

В результате распашки изменяется интенсивность и направленность биохимических процессов, снижается общая ферментативная активность почв, усиливаются процессы минерализации органического вещества. Значительное снижение темпов гидролитических процессов происходит в течение первых десяти лет, затем темпы падают, и происходит постепенное незначительное снижение активности. Можно говорить о постепенной адаптации активности биохимических процессов к такому антропогенному воздействию, как механическая обработка почвы (Девятова Стороженко и др., 2004).

Окультуривание черноземов, связанное с механической обработкой, применением органических и минеральных удобрений, чередованием культур, внесением гербицидов и т.д., сопровождается изменением течения и направленности микробиологических процессов. Возросшая нагрузка на почву, обусловленная воздействием ходовых систем машин и тракторов, большими дозами удобрений, пестицидов, зачастую приводит к изменениям, неблагоприятно влияющим на комплекс почвенных микроорганизмов, что в конечном итоге отрицательно сказывается на плодородии черноземов (Девятова, Щеглов и др., 2004).

При сельскохозяйственном использовании черноземов увеличивается количество микробов и сменяется их состав, особенно спорообразующих бактерий и грибов. Количество грибов изменяется слабо. Это говорит о том, что микроскопические грибы индифферентно относятся к изменениям условий местообитания и при окультуривании черноземов численность их изменяется незначительно. Распределение становится более равномерным. Однако, при малом изменении численности микромицетов, при сельскохозяйственном использовании по сравнению с целиной снижается разнообра-

зие микромицетов (Фаизова, 2003; Balota et al., 2004).

34

Установлено, что механическая обработка почвы, каким бы способом она ни выполнялась (отвальным или безотвальным), приводит к существенному росту автохтонной микрофлоры, участвующей в минерализации гумусовых веществ, особенно в верхнем горизонте (Девятова, Стороженко и др., 2004).

Сравнение динамики микробиологических процессов в обрабатываемой почве и находящейся в естественном состоянии показало, что механическая обработка нарушает естественный ход биологических процессов, и нельзя сказать, что та или иная обработка моделирует биологические процессы в необрабатываемой почве. Таким образом, для восстановления и сохранения запасов гумуса в черноземах недостаточно одного изменения способа обработки. Каким бы способом ни обрабатывали почву без внесения удобрений, в первую очередь органических, происходит постепенное снижение содержания гумуса (Девятова и др., 2004).

Определенной почвенной зоне соответствуют характерные комбинации соотношений и численности специфических групп микроорганизмов, окультуривание почвы приводит к изменению в их составе доминирующих форм. Исследования активности ферментов почв антропогенных (пашня) и естественных (целина, многолетние залежи) ландшафтов показали, что почвы, находящиеся под луговой растительностью и долголетней залежью, характеризуются более высокой активностью гидролитических ферментов; при сельскохозяйственном использовании, особенно при распашке, она снижается. Повышенная ферментативная активность залежных почв объясняется более высоким содержанием корневой массы в единице объема этой почвы. С другой стороны жесткие конкурентные взаимоотношения почвенной микрофлоры в условиях природных ландшафтов ведут к усилению деятельности ферментных систем микроорганизмов и корневой системы растений (Назарько, 2008).

В зависимости от характера и степени дальнейшего использования почв антропогенных ландшафтов активность биохимических процессов изменяется. В хорошо окультуренных пахотных почвах улучшается водновоздушный режим и повышается активность оксидоредуктаз. По ферментативным показателям высокоокультуренные почвы приближаются к целинным и даже превосходят их. В слабоокультуренных почвах, наоборот, ак-

35

тивность понижена. Таким образом, ферментный уровень жизнедеятельности микроорганизмов является одним из важных, поддающихся контролю показателей состояния экосистемы и антропогенного воздействия на почву

(Назарько, 2008).

При выводе почв из сельскохозяйственного оборота прекращения антропогенного воздействия природные почвообразовательные процессы пособствуют регенерации пахотных почв: бывшие пахотные горизонты трансформируются по дерновому типу, отмечается увеличение гумусированности, формирование комковато-зернистой структуры, повышение ее водоустойчивости, снижение плотности, по своим свойствам они приближаются к почвам под суходольными лугами. Почвы на черноземных залежах обладают более высоким уровнем плодородия, чем прилегающие к ним пахотные почвы.

Необрабатываемые почвы, на которых восстанавливается естественная (не сорная) растительность, имеют ряд экологических преимуществ по сравнению с обрабатываемыми: ослабевают или практически прекращаются процессы водной и ветровой эрозии; прекращается дегумификация, начинаются процессы гумусонакопления и постепенно восстанавливается естественный круговорот органического вещества в соответствии с совокупностью природных факторов; останавливаются процессы уплотнения почв, которые сменяются их разуплотнением; прекращаются процессы разрушения структуры и ухудшения водно-физических свойств почв. Эти свойства могут постепенно улучшаться, стремясь к уровню, характерному для аналогичных естественных почв (Агроэкологическое состояние…., 2008).

В целом необрабатываемые почвы через десятки лет после прекращения антропогенного воздействия по ряду показателей начинают приближаться к аналогичным целинным почвам, хотя ущерб, нанесенный им при некоторых процессах деградации (в первую очередь — эрозионных процессах), не устраняется в течение длительного времени (Агроэкологическое состояние…., 2008).

36

ГЛАВА 3. ОБЪЕКТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

В качестве многолетнего объекта исследования выступали черноземы обыкновенные южно-европейской фации, на которых расположены самые производительные сельскохозяйственные угодья. Комплексные исследования сотрудников кафедры экологии и природопользования Южного федерального университета более 10 лет ведутся на территории памятников природы «Персиановская степь» и «Степь приазовская». «Персиановская степь» признана эталонным участком, целинный чернозем которой может служить эталоном для обширных площадей занятых аналогичными, но освоенными почвами. «Степь приазовская» - залежь, выведенная из сельскохозяйственного производства в 1939 году, практически восстановившая естественную степную флору, представляет интерес для сравнения с истиной степью. Тем более что рядом исследователей, почвы этого участка также признаны эталонными для аналогов, измененных хозяйственной деятельностью человека.

Исследованы пахотные варианты чернозема обыкновенного в сравнении с почвами целинной и многолетне-залежной степи памятников природы «Персиановская степь», находящегося на территории учхоза «Донское» ДонГАУ Октябрьского района Ростовской области, и «Степь Приазовская», находящегося на территории учхоза ЮФУ «Недвиговка» Мясниковского района Ростовской области. Расстояние между исследуемыми участками составляет около 70 км. Пахотные варианты черноземов находятся в 50100 м от их целинных и залежных аналогов. На пашне применяется зернопаропропашной севооборот с отвальной вспашкой и общепринятой для зоны технологией возделывания сельскохозяйственных культур. На территории учхоза ЮФУ «Недвиговка» также проведено изучение изменения биологических свойств черноземов обыкновенных в естественном сукцессионном ряду разновозрастных залежей.

Персиановская заповедная степь – уникальный степной участок, образец исчезающей природы донских степей, площадью 66 га. Это уникальный массив сохранившейся целинной растительности и почвенного покрова с большим количеством редких и исчезающих степных растений. Этот участок никогда не распахивался, лишь иногда, раз в несколько лет он под-

37

вергается сенокошению, которое заменяет стравливание растительности дикими животными. Почвообразующими породами на территории заповедника «Персиановская степь» служат лессовидные средние суглинки. Их мощность здесь составляет более 20 м (Казеев и др., 2004). Почва – чернозем обыкновенный карбонатный среднемощный тяжелосуглинистый (ило- вато-пылеватый) среднегумусный.

По растительности «Персиановская степь» относится к сухому варианту приазовских степей. Постоянные многолетние наблюдения за флорой заповедника определили максимальную численность видов – 166 (Балаш, 1961). В течение 2001 года при учете всех проявлявшихся видов в динамике, с начала вегетации до ее конца, установлено разнообразие в пределах 120-140 видов. Основная роль принадлежит дерновинным плотнокустовым злакам: ковыль Лессинга, ковыль волосатик, типчак или овсяница бороздчатая, тонконог изящный (Казеев и др., 2004).

О.Ю. Ермолаевой с соавторами (2014) и М.А. Мясниковой (2015) на территории Персиановской заповедной степи было выделено 166 видов из 100 родов и 31 семейства. Ведущие семейства насчитывают 121 вид (77, 1% от общего числа видов флоры). К ним относятся Asteraceae (19,1% от об-

щего числа видов), Poaceae и Fabaceae (9,6%), Lamiaceae (8,9%),

Brassicaceae (7,0%), Caryophyllaceae и Rosaceae (по 5,1%), Ranunculaceae и Scrophulariaceae (по 4,5%) и Euphorbiaceae (6 видов, 3,8%). В составе раз-

нотравья значительную роль играет семейство Asteraceae, которое пред-

ставлено тысячелистниками (Achillea nobilis L., A. Setacea Waldst. & Kit.), васильками (Centaurea majorovii Dumbadze, C. marschalliana Spreng., C. orientalis L., C. pseudomaculosa Dobrocz., C. ruthenica Lam., C. trichocephala M. Bieb.), солонечниками (Galatella linosyris (L.) Rchb., G. villosa (L.) Rchb.), наголоватками (Jurinea arachnoidea Bunge, J. cyanoides (L.) Rchb., J. multiflora (L.) B. Fedtsch.) и др. Эдификатную роль среди злаков (Poaceae) играют ковыль Лессинга 66 (Stipa lessingiana Trin. & Rupr.) и ковыль укра-

инский (Stipa ucrainica P.A. Smirn.). Ковыль волосовидный (S. capillata L.)

и ковыль перистый (S. pennata L.) составляют меньшее значение. Видимую роль из других злаков играют тонкорог гребенчатый (Koeleria cristata (L.) Pers.), овсяницы (Festuca valesiaca Gaudin и F. rupicola Heuff.) и перловник трансильванский (Melica transsilvanica Schur).

38

Учхоз ЮФУ «Недвиговка» располагается рядом с пос. Танаис Мясниковского района Ростовской области в подзоне разнотравно-типчаково- ковыльных степей. Рельеф исследованного участка представлен Приазовской наклонной равниной с ясно выраженными террасами реки Мертвый Донец. Приазовская наклонная равнина заключена между отрогами Донецкого кряжа, Азовским морем и долиной Дона. Общий уклон равнины в сторону Азовского моря и Дона (Мясникова, 2015).

Данный участок состоит из 3-х разновозрастных залежей. Первый участок был введен из сельскохозяйственного использования в 1930-х гг. Следующий вывели в 1986 г., самый молодой участок не используется с 1996 г. Ранее на участках были выделены следующие стадии сукцессии: 83летняя залежь - типчаковая стадия сукцессии, 27- и 17-летние залежи - кор- невищно-злаковая стадия сукцессии (Ермолаева, Мясникова, 2014). Рядом располагается участок пашни ОПХ ЮФУ «Недвиговка», от которого выводились из сельскохозяйственного производства земли. На территории учхоза ЮФУ «Недвиговка» располагается ООПТ «Степь Приазовская». Участок представляет собой залежь, оставленную без сельскохозяйственной обработки в 1930-х гг. (Мясникова, 2015).

Памятник природы «Степь Приазовская», площадью около 2,4 га, с начала 30-х годов прошлого века не распахивался и не подвергался существенному воздействию каких-либо других форм хозяйственной деятельности. За длительный период, после исключения из хозяйственного использования, на территории залежи происходили сукцессионные изменения с превращением во вторичную степь. В настоящее время травостой участка по составу видов, структуре и особенностям развития в отдельные периоды вегетации, мало чем отличается от существовавшего здесь до распашки травостоя растительности целинной приазовской степи (Вальков и др., 1989). Участок представляет многолетнюю залежь. Растительность относится к разнотравно-типчаково-ковыльной ассоциации. В ее травостое отмечено 94 вида растений. Почва – чернозем обыкновенный карбонатный среднемощный тяжелосуглинистый (иловато-пылеватый) малогумусный.

Сравнительная характеристика исследуемых почв приведена в табли-

це 5.

39

Согласно О.Ю. Ермолаевой (2014) и М.А. Мясниковой (2015) флора памятника природы «Степь Приазовская» представлена 118 видами сосудистых растений, которые принадлежат к 81 роду, 24 семействам. Ведущие семейства представлены 90 видами (82,6% от общего числа видов флоры). К многовидовым семействам относятся Asteraceae (22,0% от общего числа

40