Мониторинг органического вещества почвенного компонента естественных и антропогенно нарушенных экосистем Среднего Урала

Актуальность работы. На современном этапе развития общества оценка состояния природных комплексов и экосистем разного уровня, выявление путей их дальнейшего развития представляет особое значение. Это связано не только с чрезмерной эксплуатацией всех видов природных ресурсов, но и деградацией компонентов природной среды, явно проявляющейся на локальном и региональном уровнях (Израэль, 1979; 1984). Поэтому все большее внимание привлекает к себе проблема охраны природы, взаимодействия человека с природой, что послужило поводом для разработки исследований, направленных на выявление негативных последствий этого взаимодействия.

Новым этапом таких исследований послужила Стокгольмская конференция в 1972 г., где была разработана специальная Программа ООН по окружающей среде, в которой даны рекомендации по организации глобальной системы мониторинга окружающей среды (ГСМОС). Основная задача ее заключалась в раннем предупреждении наступающих антропогенных изменений состояния компонентов природной среды. В Программе Юнеско «мониторинг рассматривается как система регулярных длительных наблюдений в пространстве и времени, дающих информацию о состоянии окружающей среды с целью оценки прошлого, настоящего и прогноза изменения в будущем параметров окружающей среды, имеющих значение для человека» (Почвенно-экологический мониторинг и охрана почв, 1994). При этом выделяют в зависимости от эффекта воздействия локальный, региональный и глобальный мониторинги. Так, локальный мониторинг предполагает слежение за процессами, имеющими местный характер, региональный — за взаимодействием природы и человека на уровне ландшафтных структур, глобальный или биосферный мониторинг — за изменениями компонентов биосферы. Общий экологический мониторинг 5 предполагает оценку изменений в экосистемах, происходящих в результате развития естественных и антропогенных (промышленной и сельскохозяйственной деятельности человека) процессов (Mann, 1973; Израэль, 1979; 1984).

Важной составной частью общего экологического мониторинга является почвенный мониторинг, поскольку все изменения в атмосфере, гидросфере, биосфере отражаются на составе, свойствах и плодородии почв (Почвенно-экологический мониторинг и охрана почв, 1994). Организация и осуществление почвенного мониторинга необходимы для выполнения важной задачи охраны природных ресурсов, а также текущих и долгосрочных прогнозов рационального землепользования и устойчивого повышения плодородия почв. Следует отметить, что почва, как биокосный продукт, является сложным объектом исследования, поскольку все изменения, происходящие в ней, проявляются не столь быстро, как в других компонентах биосферы. Поэтому организация почвенного мониторинга представляет собой задачу более трудную, чем мониторинга водных и воздушных сред (Добровольский и др., 1983; Добровольский, 1986).

Всемирные организации по охране природы и рациональному освоению природных ресурсов, такие как ЮНЕСКО, ФАО, ЮНЕП обеспокоены современным состоянием земельных ресурсов и все возрастающим их отчуждением на несельскохозяйственные нужды (О рациональном использовании и охране почв, 1983). В связи с существующей опасностью деградации почв вследствие неправильного землепользования и непродуманных мер по интенсификации сельскохозяйственного производства международным сообществом ученых в 1982 г. была принята Всемирная Хартия почв, в которой сформулированы принципы рационального использования и охраны почвенных ресурсов, а также указания к осуществлению мероприятий, 6 способствующих этому, правительствами стран и международными организациями. Среди указаний к действию, содержащихся во Всемирной Хартии почв, называются планирование оптимального землепользования, поддержание и повышение плодородия почв, повышение эффективности применения удобрений и многие другие, способствующие охране почв (Всемирная Хартия почв, 1983).

Такое внимание к почвенному покрову Земли обусловлено тем, что почва является важнейшим компонентом биосферы, выполняя ряд функций, имеющих непосредственное экологическое значение, т. е. важных с точки зрения среды обитания организмов, включая человека (Ковда, 1974; 1983а, б- 1985; Добровольский, 1989; Розанов А., Розанов, Б., 1990; Почвенно-экологический мониторинг и охрана почв, 1994). Самой общей и главной функцией почвы является ее функция как среды обитания, обеспечивающей жизнь на поверхности земной суши. Уникальность почвы как среды обитания наземных организмов проявляется в огромной плотности сосредоточенной в ней жизни. Вторая важнейшая экологическая функция почвы, которая неразрывно связана с первой — обеспечение постоянного взаимодействия большого геологического и малого биологического круговорота веществ на земной поверхности, поскольку почва является связующим звеном и регулирующим механизмом в системах геологической и биологической циркуляции элементов в биосфере на поверхности Земли (Вернадский, 1960). Эта функция в сочетании с фотосинтезом растений лежит в основе биологической продуктивности почвы, как компонента экосистем. Накопление на земной поверхности специфического органического вещества — гумуса и связанной с ним химической энергии также является одной из главных экологических функций почвы, обеспечивающей ее плодородие. Биохимические почвенные процессы оказывают влияние на регулирование состава атмосферы и гидросферы: «дыхание почвы» 7 вместе с фотосинтезом и дыханием живых организмов поддерживает постоянство состава атмосферного воздуха. Почва играет защитную роль по отношению к литосфере. Кроме того, почва является важнейшим природным ресурсом — средством сельскохозяйственного производства и местом поселения людей. По мнению В. А. Ковды (19 836) почвенная оболочка представляет собой незаменимую часть (деятельного слоя) биосферы. По его данным только 35−40% поверхности материков обладают высоким природным плодородием и благоприятны для ведения сельского хозяйства. Это обуславливает выявление краткосрочных и долгосрочных экологических последствий антропогенного воздействия на изменение функций почв, что нашло свое отражение в ряде международных научных программ, прежде всего в Международной геосферно-биосферной программе «Глобальные изменения» (МГБП). Научная программа «Глобальные изменения почв» включена в состав приоритетной и является основой деятельности Международного общества почвоведов и Международного института прикладного системного анализа (Arnold, Rozanov, 1989; Scharpenseel, 1988, 1989). Этим вопросам также уделяется большое внимание в деятельности Программы ООН по окружающей среде (ЮНЕП) и Организации ООН по продовольствию и земледелию (ФАО).

В рамках МГБП разработана новая концепция почвы как геомембраны планеты, согласно которой почва рассматривается как полупроницаемая земная оболочка, функционально в какой-то степени аналогичная биомембранам, способная избирательно отражать, поглощать, либо пропускать и трансформировать энергетические и вещественные потоки между внутренними и внешними оболочками Земли (Розанов, 1988; А. Розанов, Б. Розанов, 1990). В этом качестве почва выступает как регулирующий механизм взаимодействия между геосферами на границе их соприкосновения, регулятор взаимодействия 8 между биотой, литосферой, гидросферой и атмосферой в пределах биосферы планеты. Именно почва наиболее устойчиво аккумулирует в себе все изменения, происходящие в биогеоценозах и биосфере в целом, так как через нее как через тончайшую органоминеральную мембрану поверхности Земли проходят важнейшие процессы обмена веществ между земной корой, атмосферным воздухом, гидросферой суши и всеми обитающими на суше организмами. В сущности все пищевые и многие другие экологические цепи, с которыми связана жизнь человека, проходят через почву (Добровольский и др., 1983; Добровольский, 1986).

Наблюдения последних десятилетий показали высокую чувствительность почвенного покрова к антропогенному воздействию. При недостаточно продуманном воздействии и нарушении сбалансированных природных экологических связей в почвах быстро развиваются нежелательные процессы минерализации гумуса, повышается кислотность или щелочность, усиливается соленакопление, развиваются восстановительные процессы (Добровольский и др., 1983; Добровольский, Никитин, 2000). За последние 25−30 лет резко усилился процесс потери почвами гумуса, в том числе и знаменитым русским черноземом. Достаточно широкое распространение негативных процессов, снижающих плодородие почв или даже ведущих к их деградации, диктует необходимость широкого поиска параметров контроля за состоянием почв. Не менее важной проблемой является уплотнение корнеобитаемого слоя почвы, наблюдаемое на интенсивно используемых полях и пастбищах (Lai R. et all, 1989; Б. Ахтырцев, А. Ахтырцев, 1993). Следует отметить, что наиболее склонны к уплотнению почвы с малым содержанием гумуса. При распахивании целинных земель с уничтожением естественной растительности происходит изменение биологического круговорота веществ и гидротермического режима, в том числе также меняется биогеохимический цикл углерода в экосистеме. В 9 результате такого воздействия на почву происходит резкое снижение ее гумусированности (Gupta et all, 1984; Орлов, 1985; Woods et all, 1988; Макунина, 1989; 1990, А. Розанов, Б. Розанов, 1990; Pennock, 1990).

Наиболее опасными процессами деградации почв являются: водная и ветровая эрозия почвмеханическое уплотнение и разрушение структуры почв тяжелыми сельскохозяйственными машинамиразрушение почв при горных разработкахзагрязнение избыточными дозами удобрений и ядохимикатовпотеря гумуса и питательных веществвторичное засоление почв в результате орошенияпереосушение почвусиление кислотности в результате выпадения кислотных дождейсдвиги карбонатных и гумусовых равновесий в результате изменения концентрации СОг в атмосфереаккумуляция тяжелых металлов и радионуклидов в гумусовых горизонтахугнетение почвенной биоты и снижение ферментативной активности почвнарушение нормальных биогеохимических циклов в почвах в результате загрязнения нефтью, солевыми растворами, шлаками, химическими стоками (Добровольский и др. 1983; Добровольский, 1986; Розанов и др. 1989; А. Розанов, Б. Розанов, 1990; Почвенно-экологический мониторинг и охрана почв, 1994). Наблюдения за этими негативными процессами являются важнейшими задачами почвенного мониторинга. Не вызывает сомнений, что как с экологической, так и с экономической точек зрения более целесообразным является предупреждение неблагоприятных изменений почв, чем выполнение дорогостоящих работ по восстановлению почвенного покрова или утраченных свойств почвы, ответственных за ее плодородие.

Как показывает анализ литературы, еще не существует окончательно сформулированной научно обоснованной программы почвенного мониторинга для техногенно загрязненных и агрогенных почв. Однако, для того и другого вида мониторинга является важным.

10 определение информативных показателей, позволяющих не только оценить современное состояние почв, но и обнаружить тенденции к неблагоприятным изменениям (Гришина, 1986 бПомазкина и др. 1999). Эффективным мониторинг может быть при согласованном выборе небольшого числа наиболее информативных (необходимых и достаточных) почвенных показателей, которые чувствительны к смене экологической обстановки, хорошо воспроизводимы, а измерения просты и надежны (Почвенно-экологический мониторинг и охрана почв, 1994). Перечень контролируемых показателей состояния почв может быть различным в зависимости от уровня, на котором проводится мониторинг. В настоящее время выявлено, что из показателей химического состояния загрязненных почв определяют общее содержание углерода, водорастворимого органического вещества, подвижного фосфора, аммиачного и нитратного азота, содержание обменных сульфатов (Добровольский и др., 1983). Для агрогенных почв помимо общего содержания углерода, водорастворимого органического вещества, подвижного фосфора рассмотрены и другие параметры агрохимических и физических свойств почв. Однако, ввиду региональное&tradeусловий почвообразования и особенностей агрогенеза комплекс определяемых показателей в системе мониторинга нуждается в существенной отработке (Методические рекомендации ., 1987).

Г. В. Добровольский, Д. С. Орлов, JI.A. Гришина (1983) предлагают контролируемые показатели подразделить на три группы в зависимости от временной их изменчивости и периодичности измерений. Первая группа включает показатели ранней диагностики неблагополучия почвенного режима. Это показатели угнетения почвенной биоты по ферментативной активности, «дыханию» и азотфиксации почв, изменения окислительно-восстановительных и щелочно-кислотных условий, плотности и пористости почв, минерализованности почвенного раствора.

Наблюдения за этими показателями проводятся несколько раз в год. Вторая группа показателей характеризует более устойчивые изменения в свойствах почв: количество и качество гумуса, изменение содержания элементов питания растений и тяжелых металлов, углеводородов, степени агрегированности почвенного мелкозема, биологическая продуктивность естественных и агроценозов. Эти наблюдения должны проводиться через 2−5 лет. В третью группу входят показатели устойчивых и глубоких изменений свойств почв: изменение запасов гумуса и азота в почве, соотношения тонкодисперсных и более крупных фракций гранулометрического состава почв, их минералогического и химического состава, микрои макроморфологии, мощности почвенных горизонтов и других устойчивых изменений свойств и признаков почв. Они формируются в результате относительно длительных однонаправленных процессов и поэтому требуют контроля через 5−10 лет. Перечень контролируемых показателей и их группировка могут изменяться и должны применяться с учетом конкретных особенностей контролируемого объекта и свойств почв.

Как показывают многочисленные исследования, изучение динамики органического вещества в одном из главных компонентов экосистемыпочве — является основой в выявлении особенностей ее развития (Докучаев, 1954; Волобуев, 1963; Ковда, 1973; Орлов, 1974; Пономарева, Плотникова, 1980; Дергачева, 1984; Johnson М. G., 1990, Scharpenseel Н. W. 1990, Stewart et all, 1990 и др.). По сути такие исследования являются экологическими и мониторинговыми. Значимая прослойка в почве, называемая В. А. Ковдой и И. В. Якушевской (1971) гумосферой, является по их образному выражению кладовой преобразования органического вещества. Этот слой, как известно, позволяет составить представление не только о суммарных запасах живого, но и о количестве преобразованного «мертвого» органического вещества, консервирующегося в педосфере и.

12 являющегося мощным источником энергии, питательных и биологически активных веществ (Bazilevich, 1974; Post et all, 1982; Schlesinger, 1977).

Благодаря своей коллоидальной природе гумус увеличивает поглотительную способность почвы. Входящие в состав гумуса гуминовые вещества «цементируют» минеральные частицы почвы в структурные агрегаты, тем прочнее, чем больше в почве извести и самих гуминовых веществ. Агрегирование почвы существенно меняет ее физические и химические свойства, а через них и все обменные процессы с другими компонентами биогеоценоза. Структурные почвы рыхлее бесструктурных, легче проницаемы для воздуха и воды, в них выше процент гравитационной и капиллярной воды, они лучше прогреваются, процессы разложения органических веществ в них идут в аэробных условиях и более энергично до конечных продуктов распада (Кононова, 1963; Александрова, 1980; Гришина, 1986 аБондарев, Силаков, 1993; Кузнецова, 1994).

В современной научной литературе, посвященной вопросам почвенного органического вещества и рациональному использованию почвенного покрова, подчеркивается, что проблема сохранения гумуса и оптимизация гумусного состояния почв агроэкосистем имеет первостепенное значение (Ковда, 1973; Кононова, 1984; Орлов и др., 1981; 1986; Розанов А., Розанов Б., 1990; Кулаковская, 1990). Вполне очевидно, что знание природы, свойств и структуры органического вещества почв, как в естественных так и культурных сообществах, а также знание закономерностей гумусообразования является экологическим базисом сохранения и повышения плодородия почвенного покрова, что несомненно является основой устойчивости экосистем.

Многие зарубежные исследователи (Richards et all, 1983; Buol et all, 1988; Johnson M. G., 1990) считают, что прогнозируемое повышение средней глобальной температуры на несколько градусов в связи с.

13 парниковым эффектом" приведет к резкому усилению дегумификации почв умеренного пояса. Это в свою очередь может еще в большей степени усилить «парниковый эффект», поскольку потеря гумуса почвенным покровом — это повышение концентрации диоксида углерода в атмосфере. Общая тенденция вероятной прибавки углекислого газа в атмосфере за счет минерализации почвенного гумуса, как считают эти ученые, очевидна. Поэтому исследования должны быть направлены на выявление механизмов сохранения гумуса, поскольку почвенный гумус является основным результирующим звеном, отражающим аккумуляцию солнечной энергии на поверхности Земли и в свою очередь является гарантом продуктивности растительных сообществ, которые в комплексе обеспечивают экологическую устойчивость биосферы и ее структурных компонентов. Не исключено, что потеря гумусового слоя почв может привести к экологической катастрофе биосферы в целом (А. Розанов, Б. Розанов, 1990). Это еще раз подчеркивает важность проведения мониторинга органического вещества почв, как показателя общего состояния экосистем.

В этом отношении уникальна ценность многолетних наблюдений за состоянием агрогенных почв (Роде, 1984). Поскольку в агроценозах в более сжатые временные отрезки происходят изменения свойств почв при возрастающем антропогенном воздействии, в них возможно моделирование и проведение экспериментов, позволяющих зафиксировать отклик агроэкосистемы на это воздействие, результаты которого могут иметь не только теоретическое, но и практическое значение. Поэтому очевидна необходимость отслеживания процессов гумификации, минерализации и сохранения органического вещества в почвах. Однако, региональные аспекты этой проблемы почвенного компонента экосистем, испытывающих продолжительное антропогенное.

14 воздействие, изучены недостаточно. С учетом выше изложенного были определены цель и задачи настоящего исследования.

Цель исследования. Сравнительное изучение показателей состояния органического вещества почвенного компонента естественных и антропогенно нарушенных экосистем с оценкой информативности для мониторинга почв Среднего Урала. Объектом исследований были серые лесные почвы, наиболее широко используемые в агрогенезе на этой территории.

Основные задачи:

1. Провести сравнительный анализ физико-химических свойств почв в агрои естественных экосистемах.

2. Выявить особенности динамики фракционно-группового состава гумуса как основного компонента органического вещества почв агроэкосистем.

3. Изучить сезонную динамику водорастворимого углерода в почвах под естественной и культурной растительностью.

4. Охарактеризовать количественные изменения гумусного потенциала почв в агроценозах в зависимости от агротехнологий.

Научная новизна. На основании многолетнего сравнительного изучения органического вещества серых лесных почв оценена динамика его состояния в условиях антропогенного (в процессе агрогенеза) воздействия. Показаны особенности изменения фракционно-группового состава гумуса при внесении разных доз органических удобрений и смене агроценозов. Оценена индикаторная значимость отдельных показателей состояния органического вещества почвенного компонента агроэкосистем. Показаны особенности сезонной динамики водорастворимого углерода в почвах под лесом и в агроценозах. На основе экспериментальных исследований оценена роль смены.

15 агроценозов и доз органических удобрений в восстановлении содержания и запасов гумуса агроэкосистем.

Практическая значимость. Полученные данные по динамике гумусного состояния почв за годы с разными климатическими условиями могут быть использованы для оценки возможного изменения гумусового потенциала антропогенно нарушенных почв и разработки системы мер, направленных на восстановление и оптимизацию гумусного состояния почв, как основы сохранения и повышения продуктивности агроэкосистем.

Положения, выносимые на защиту.

1. Особенности трансформации органического вещества и формирования органопрофиля серых лесных почв под влиянием естественных и антропогенных факторов.

2. Индикаторная значимость показателей состояния органического вещества агрогенных почв в системе мониторинга, их сезонная и многолетняя динамика.

Автор выражает искреннюю признательность и благодарность руководителю дбн И. В. Молчановой за помощь и поддержку в работе, зав. группой функциональной экологии почв кбн B.C. Дедкову за советы и многочисленные консультации, кбн П. В. Мещерякову за сотрудничество при проведении совместных исследований. Автор также благодарит сотрудников группы функциональной экологии почв за помощь при выполнении аналитических работ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

И ВЫВОДЫ.

Результаты проведенных исследований и анализ литературы показали, что важнейшими задачами мониторинга почв, как одного из основных компонентов экосистем, являются оценка их современного состояния, выбор информативных параметров, индицирующих динамику и тренды почвенных микропроцессов, и определение точек для организации периодических и постоянных наблюдений. Только на этой основе возможно прогнозирование изменений почвенно-экологических условий. Не претендуя на роль основы в системе общего экологического мониторинга, мониторинг органического вещества почвенного компонента экосистем, а именно его наиболее устойчивой оболочкигумосферы, представляется достаточно информативным в оценке потока «энергии», заложенной в органическом веществе, что неоднократно отмечалось в литературе (Ковда, 1974; 1985; Добровольский, Никитин, 2000). Изменение составных частей этой оболочки под воздействием антропогенных факторов, как в локальном, региональном, так и в глобальном масштабе индицирует изменение основного показателя почвы — ее плодородия, что с позиций экологии человека является наиболее актуальным. Это обусловлено тем, что в трофической цепи человек более близок к почвам агроэкосистем, чем к естественным и в том числе техногенно загрязненным. В связи с этим разница в слежении за состоянием естественных и агроэкосистем заключается в том, что в первых осуществляется чаще пассивный мониторинг, а во-вторыхчрезвычайно важно не только слежение, но и выявление путей их восстановления. Изъятие агроэкосистем из оборота, несомненно, будет являться источником других проблем, и не исключено, что более сложных и дорогостоящих.

Следует отметить, что в системе мониторинга больше внимания уделяется техногенно загрязненным почвам, чем агрогенным. Вовлечение.

164 такого компонента экосистем, как почва, в агрогенез, который сопровождается сведением естественных растительных сообществ, существенно нарушает сложившийся баланс в биогеохимическом круговороте элементарных ландшафтов и их комплексов, что, несомненно, обуславливает необходимость мониторинга значительно больших территорий.

Известно, что первым этапом проведения мониторинговых исследований является изучение современного состояния отдельных компонентов экосистемы и выбор адекватного контроля. Следующий этап — поиск индикационных показателей состояния по выбранному объекту контроля и оценка их информативности. Третьим этапом является реализация программы и проведение мониторинговых исследований.

Согласно первому этапу мониторинга нами проведено сравнительное изучение физико-химических свойств серых почв естественных и агроэкосистем, которое позволяет отметить следующее. В почвах агроэкосистем в результате припахивания нижних слоев мощность гумусово-аккумулятивного горизонта исходной лесной почвы (от 6 до 14 см) увеличилась до 25 (реже 30) см. В преобразованном пахотном горизонте отмечается изменение окраски, плотности сложения и структуры агрегатов. Морфология нижележащих горизонтов достаточно сходна, что свидетельствует о высокой статичности признаков, свойственных для данного типа почв. Почвы агроэкосистем характеризуются большей плотностью сложения пахотного горизонта по сравнению с гумусово-аккумулятивным естественных экосистем. В процессе агрогенеза происходит некоторое изменение гранулометрического состава почвенного компонента экосистем. Так, в пахотном горизонте уменьшается содержание илистых частиц по сравнению с гумусово-аккумулятивным горизонтом почвы под лесом. В подпахотном горизонте и в нижней части профиля отмечается увеличение.

165 фракции физической глины. С позиций условий гумусообразования в почвах агроценозов отмечаемое изменение в распределении илистых частиц по профилю способствует миграции гумуса в подпахотные горизонты, что, несомненно, способствует дегумификации почв.

Этот вид антропогенного воздействия приводит также к изменению химических свойств почв. Так, верхняя часть профиля лесных почв характеризуется слабокислой реакцией, нижняя — нейтральной, пахотные же почвы по всему профилю имеют нейтральную и слабощелочную реакцию среды, что обусловлено периодическим известкованием. Почвы под естественной растительностью имеют также и более высокую по сравнению с почвами агроценозов гидролитическую кислотность, являющуюся потенциальной, т. е. скрытой кислотностью почвы. Наибольшее количество поглощенных оснований наблюдается в подстилке лесных почв. С уменьшением содержания гумуса вниз по профилю снижается и количество поглощенных катионов, но в иллювиальных горизонтах оно снова возрастает, являясь следствием накопления здесь минеральных коллоидов. Такое распределение поглощенных оснований свойственно как почвам под лесом, так и пахотным. Однако, почвенно-коллоидный комплекс пахотных горизонтов почв агроэкосистем более насыщен основаниями по сравнению с гумусово-аккумулятивными горизонтами почв под лесом.

Такая важная составляющая органического вещества, как гумус, в серых почвах под лесными сообществами характеризуется его высоким (4,1−7,1%) содержанием в перегнойно-аккумулятивном горизонте, резко убывающим вниз по профилю, а в почвах агроэкосистем с не высокой культурой земледелия — низким (1,3−2,8%) содержанием гумуса в пахотном горизонте, постепенно из убывающим по профилю. Почвы под лесом в верхней части профиля имеют несколько большее отношение С :

N, чем почвы агроценозов, что указывает на усиление процессов минерализации в последних.

Для почв агроэкосистем по сравнению с лесными характерна высокая и очень высокая степень обеспеченности подвижным фосфором. Различия по содержанию обменного калия не выражены, несмотря на то, что почвы агроценозов пополняются им благодаря внесению удобрений.

Данные валового химического состава почвенного компонента естественных и агроэкосистем свидетельствуют о разной степени оподзоленности верхней части почвенного профиля. При этом в почвах агроэкосистем (в связи с длительностью агрогенеза) по сравнению с почвой под лесом увеличивается мощность верхнего слоя почвы, затронутого элювиальными процессами. Профильное изменение величины молекулярных отношений (окислов кремния к окислам железа, алюминия и сумме полуторных окислов) в лесных и пахотных почвах имеет сходный характер, что указывает на стабильность валового химического состава. Однако, несколько большую динамичность по профилю почв проявляет отношение окислов кремния к окислам железа.

Таким образом, из изученных физико-химических свойств наиболее информативными показателями, индицирующими изменения почвенных условий агроэкосистем являются: плотность сложения (объемная масса), гранулометрический состав (в частности содержание перераспределенных по профилю илистых частиц), кислотность почвенной среды, содержание поглощенных оснований, гумуса и азота, валовой химический состав.

Изучение трансформации органического вещества в почвенном компоненте агроэкосистем выявило ряд особенностей в результате наблюдений за изменением соотношения фракций гумусовых кислот в зависимости от разных видов антропогенного воздействия. Профиль изученных почв естественных и агроэкосистем резко дифференцирован по составу гумуса, что подтверждает их соответствие зональному типу.

167 гумусообразования серых лесных почв (Пономарева, Плотникова, 1980). В почвах под лесом в гумусовом и гумусово-элювиальном горизонтах до глубины 20 см преобладают гуминовые кислоты, отношение гуминовых кислот к фульвокислотам в верхней части профиля несколько больше 1, тип гумуса фульватно-гуматный. В нижней части профиля преобладают фульвокислоты, отношение гуминовых кислот к фульвокислотам составляет менее 0,5 (тип гумуса — фульватный). В почвах агроценозов наблюдается изменение в соотношении основных групп гумусовых кислот. Так, в пахотном горизонте отмечается увеличение содержания гуминовых кислот и снижение — фульвокислот. Тип гумуса изменяется (в зависимости от степени окультуренности) от фульватно-гуматного до гуматного при различиях величины отношения Сгк: Сфк в пределах общепринятых градаций. В иллювиальной части профиля в почвах агроэкосистем также преобладают фульвокислоты и тип гумуса остается прежним — фульватным. Несмотря на отмеченные различия в степени трансформации органического вещества в почвах агроэкосистем и их лесных аналогах устойчивость зонального типа гумусообразования сохраняется.

Известно, что одним из видов антропогенного воздействия для улучшения плодородия почв является внесение органических удобрений. Проведенные экспериментальные исследования по влиянию больших доз органических удобрений на содержание и состав гумуса показали, увеличение содержания гумуса сопровождалось улучшением его состава, особенно в пахотных горизонтах. При этом тип гумуса в пахотных горизонтах изменился от фульватно-гуматного до гуматного. Изменение состава гумуса определялось существенным возрастанием содержания гуматов кальция и снижением гуминовых кислот — «свободных» и не прочно связанных с полуторными окислами, что свидетельствует о сходстве процессов трансформации органического вещества в агрогенных.

168 почвах. Таким образом, в процессе сельскохозяйственного использования почвы более интенсивно минерализуется первая фракция гуминовых кислот, а с уменьшением ее доли в составе органического вещества гумус становится более инертным, способствуя снижению темпов его потерь. Устойчивости гумуса также способствует увеличение содержания гуматов кальция. Из фульвокислот наиболее существенный вклад в формирование типа гумуса вносит фракция фульвокислот, связанная с кальцием (ФК-2), которая также как и фракция ГК-2, является частью устойчивого гумуса. Наблюдения за динамикой состава гумуса выявило его зависимость от режима увлажнения, влияющего на трансформацию органического вещества и подвижность гумусовых кислот.

Содержание и миграция водорастворимого углерода в почвах естественных и агроэкосистем проявляют сезонные изменения и зависят от условий увлажненности вегетационного периода. В почвах естественных и агроэкосистем миграция водорастворимого углерода в иллювиальные горизонты возрастает от начала лета к середине осени. Причем она более выражена в агрогенных почвах. Несомненно, что слежение за динамикой содержания водорастворимого углерода позволяет учитывать темпы миграции лабильных гумусовых веществ и может служить методической основой разработки системы агротехнических мероприятий, которые позволят «блокировать» их потери.

Бесспорно, что результаты мониторинга должны иметь и практический выход. Поэтому чрезвычайно важно, особенно для агроэкосистем, выяснить каков предел эксплуатационной нагрузки на органическую часть почвы, и можно ли эффективно управлять этим процессом. Проведенный комплекс агроэкологических исследований показал, что смена севооборотов достаточно быстро определяет направление процессов гумусообразования. Выращивание пропашных.

169 культур (картофеля) по сравнению с зерновыми способствует снижению содержания гумуса, его предгумусовой фракции и вымыванию в нижние слои почвенного профиля водорастворимых форм органического вещества. Комплексный анализ эксперимента с внесением высоких доз органических удобрений и сменой зернотравяного севооборота на кормовой показал, что внесение больших доз органических удобрений не способствует адекватному увеличению содержания гумуса, а введение сбалансированных севооборотов может оказать эффективное влияние на самовосстановление ресурсов гумусовых веществ в агроэкосистемах.

Перевод лесных экосистем в агроэкосистемы сопровождается потерями гумуса, особенно в первые 5−15 лет. В дальнейшем темпы снижения гумуса значительно замедляются и стабилизируются к 30−40 годам, когда устанавливается относительное равновесие процессов гумификации и минерализации органических веществ, поступающих с пожнивно-корневыми остатками растений.

Итак, большинство изученных показателей, оценивающих динамику содержания гумуса и его состава в зависимости от режима почвенных условий и антропогенного воздействия, могут быть использованы в мониторинге органического вещества почвенного компонента экосистем и позволяют отслеживать как сезонные, так и многолетние его изменения. Выявленные зависимости изменения состава гумуса от климатических и ценотических факторов позволяют оценивать не только скрытый период их действия, но и указывают на возможность прогнозирования дальнейшего развития. При решении задач повышения плодородия и продуктивности агроценозов необходим дифференцированный учет агротехнологий, влияющих на состояние системы гумусовых веществ с целью выбора оптимальных путей. Полученные абсолютные величины изученных показателей отражают региональные особенности и их изменение в ходе антропогенного.

170 воздействия на органическое вещество почвенного компонента агроэкосистем.

Таким образом, изученные показатели гумусного состояния являются надежной оценкой слежения за состоянием плодородия почв. Учет их изменения при антропогенном воздействии может служить методической основой при разработке системы агротехнических мероприятий, что позволит не только сохранить содержание гумусаглавного компонента органического вещества агроэкосистем, но и способствовать накоплению и регулированию его качественных характеристик. Несомненно, слежение за органическим веществом почвенного компонента экосистем должно являться составной частью общего экологического мониторинга.

Проведенный комплекс многолетних исследований почвенного компонента лесных и агроэкосистем позволяет сделать следующие основные выводы:

1. В органогенном горизонте почв агроценозов плотность сложения в 1,3−1,5 раза выше, чем в аналогичном слое почвы естественных (лесных) экосистем. В пахотных горизонтах содержание илистых частиц снижается на 15−36% по сравнению с гумусовыми горизонтами почв под лесом. В результате агрогенеза увеличивается мощность верхнего слоя почвы, затронутого элювиальными процессами. Содержание гумуса в перегнойно-аккумулятивном горизонте почв естественных экосистем составляет 4,1−7,1%, а в почвах агроэкосистем (в зависимости от культуры земледелия) — от 1,9 до 5,9%. Органогенные горизонты почв под лесом характеризуются более широким отношением С: N, чем пахотные горизонты почв агроэкосистем, что свидетельствует об усилении процессов минерализации в последних.

2. В почвах под лесом в верхней части профиля до глубины 20 см преобладают гуминовые кислоты, тип гумуса фульватно-гуматный. В.

171 почвах агроэкосистем в зависимости от степени окультуренности тип гумуса изменяется от фульватно-гуматного до гуматного. В иллювиальной части профиля состав гумуса почв агрои естественных экосистем различается незначительно, оставаясь фульватным.

3. Экспериментальными исследованиями по изучению влияния больших доз органических удобрений на гумусный потенциал почв агроэкосистем установлено, что в вариантах опытных участков за период наблюдений повысилось содержание гумуса, изменился его фракционно-групповой состав, в котором возросла доля гуминовых кислот, снизилась «агрессивность» фульвокислот и увеличилось отношение между основными группами гумусовых кислот. Отмечаемое изменение состава гумуса обусловлено, в основном, увеличением содержания фракции, связанной с кальцием, и некоторым снижением содержания «свободных» гуминовых кислот, что способствует повышению устойчивости гумуса и плодородия почвы. Из фульвокислот в изменение состава гумуса наибольший вклад вносят фракции, связанные с кальцием и подвижными полуторными окислами. Отмечаемые аналогичные изменения в составе гумуса на всех вариантах опыта свидетельствуют о сходстве процессов трансформации органического вещества в агрогенных почвах.

4. Установлено, что в период с пониженным количеством осадков в составе гумуса снижается содержание гуминовых кислот и увеличивается доля фульвокислот, что приводит к уменьшению отношения основных фракций гумусовых кислот, свидетельствуя об усилении процессов минерализации органического вещества.

5. Выявлено, что содержание водорастворимого углерода в органогенных горизонтах почв под лесом выше, чем в пахотных горизонтах агроценозов. Миграция водорастворимого углерода из верхних горизонтов в иллювиальные увеличивается от начала лета к.

172 середине осени, особенно в почвах агроэкосистем, и зависит от условий увлажненности вегетационного периода.

6. Установлено, что при выращивании пропашных культур (картофель) по сравнению с зерновыми создаются условия, способствующие снижению содержания гумуса и миграции в нижние слои почвенного профиля водорастворимых форм органического вещества.

7. Показано, что одноразовое внесение «высоких» доз органических удобрений не приводит к адекватному увеличению содержания и запасов гумуса в почве, а введение сбалансированных севооборотов может способствовать самовосстановлению ресурсов гумусовых веществ в агроэкосистемах.