Retrospective fertility analysis of chernozem soils in the central agroecological zone of the Samara region

Full Text

В современных условиях изменяющегося климата сохранение оптимальных запасов органического углерода в почвах является сложной задачей в связи с увеличением частоты рисков возникновения неблагоприятных погодных явлений (засухи, пыльные бури, ливни) и с проблемой выбора рациональных систем земледелия. По имеющимся оценкам, за последние два столетия глобальные потери органического углерода из почв составили около 8% только в результате переустройства земель и неэффективных методов землепользования [1]. Уменьшение запасов углерода в почвах приводит к снижению их качества и устойчивости к естественным и антропогенным воздействиям, снижению урожайности сельскохозяйственных культур и продуктивности животноводства, в связи с чем актуальным вопросом современного почвоведения является получение достоверной информации о состоянии почвенного покрова, а также анализ временной трансформации плодородия почвы за длительный период использования.

Цель исследований – оценка изменения состояния показателей комплекса свойств почв для их последующего контроля и выявления признаков, влияющих на почвенное плодородие.

Задачи исследований – отбор и подготовка необходимых исходных данных для проведения аналитического исследования; анализ выбранных исходных данных и их последующая структуризация; интерпретация полученных аналитических данных.

Материал и методы исследования.

Объект исследований – почвы черноземного, лугово-черноземного, лугового, солонцового и солончакового типов на опытных полях Самарского государственного аграрного университета, расположенных на территории Кинельского района в центральной агроэкологической зоне Самарской области.

В результате исследований почв черноземного типа на полях Самарского государственного аграрного университета был собран фондовый материал по обследованиям за 1992 г. и 2002 г. и проведен тур в 2022 году. Сопоставив все полученные сведения о почвенном покрове, об агрохимических показателях, описания морфологического строения почвенного профиля и распространения почв, расположенных на полях Самарского государственного аграрного университета, были выбраны показатели для выполнения ретроспективного анализа состояния почв. Всего за период с 1992 по 2022 г. были исследованы показатели 40 разрезов, из них: морфологическое описание почв 15 разрезов по материалам 2022 г., анализ рН, анализ содержания гумуса.

В подготовительный период собраны и проанализированы фондовые материалы, составлена почвенная карта. Рядом с разрезами предыдущих обследований заложены точки контрольных разрезов для взятия образцов почв в 2022 г. Полевые работы выполнены путем маршрутного обследования исследуемой территории пахотных земель, по намеченным точкам в 2022 году заложены разрезы и отобраны образцы почв для анализа динамики изменения агрохимических показателей по 3-м турам обследования.

На территории исследований, в 2022 году, были обследованы часть земель сельскохозяйственного назначения. Для анализа использовали 54 образца из 9 разрезов (глубиной 0,90-1,0 м), 5 полуям (глубиной 0,60-0,65 м), 1 прикопка. Исследование проводилось на почвах, отнесенных к пяти типам: чернозем, лугово-черноземная, луговая, солонец полугидроморфный и солончак гидроморфный.

Каждая точка копания координировалась, проводилась фиксация, заполнялся полевой журнал с морфологическим описанием строения почвенного профиля.

Ретроспективный (оценочный) анализ [2, 3] выполнялся по следующим агрохимическим показателям: динамика состояния реакции почвенной среды (рН) и органического вещества – гумуса, %, т/га.

Результаты исследований.

Анализ морфометрических изменений пахотных горизонтов и их распределения по профилю почв показал, что в почвенном покрове преобладают черноземы обыкновенные остаточно-луговатые и остаточно-луговатые карбонатные. Они занимают надпойменную террасу рек Б. Кинель и Самары. Черноземы обыкновенные получили распространение на плато увалов и пологих склонах (1-2°) западной, юго-западной и южной экспозиции, которые занимают небольшую площадь.

Луговые солончаковые засоленные почвы получили распространение в условиях избыточного увлажнения в понижениях на предсклонах к надпойменной террасе р. Самары. Лугово-черноземные почвы встречаются редко и только на возвышениях в виде гряд и бугров на надпойменной террасе р. Б. Кинель.

Немаловажное значение имеет состояние исследуемых участков по степени окультуренности почв. Исследуемые участки представлены пашней, залежью и пастбищем. Все участки находятся в разной степени мелиоративного состояния: пашня в севообороте; залежные – переувлажненные и закустаренные; пастбища – переувлажненные с близким залеганием грунтовых вод. Окультуренность почв находится в прямой зависимости от мелиоративного состояния участков.

Основными почвообразующими породами названных почв являются делювиальные глины и суглинки, для остаточно-луговатых – древнеаллювиальные карбонатные породы, для засоленных почв – древнеаллювиальные засоленные глины.

Анализ использования земель в соответствии с видом разрешенного использования (в севообороте и залежные земли) показал, что с 1992 по 2022 г. произошли изменения в морфологическом строении профиля исследуемых участков:

Окраска гумусово-аккумулятивного горизонта А от темно-серой (почти черной) по наблюдениям начала ХХ века В. В. Докучаева [4] и по материалам обследования 1992 г. [5] эволюционировала в темно-серую с буроватым оттенком;

Мощность горизонта А_пах колеблется от 0 до 22 см, и очень плотный слой А₁ составляет 10-20 см. Под горизонтом А₁ расположен горизонт В, имеющий плотное (лопата или нож с трудом входят в почву на глубину 4-5 см) и уплотненное сложение.

Произошли изменения в структурности почвенных горизонтов, где в зависимости от глубины стала преобладать менее водопрочная структура: верхний пахотный горизонт характеризовался (по материалам 2022 г.) как порошисто-глыбистый и комковато-порошистый.

Пахотный слой подстилается очень плотной, слабо водопроницаемой прослойкой. Толщина ее невелика (10-20 см) и предыдущими исследователями почвоведов-практиков она игнорировалось. С глубиной структура вниз по профилю становится крупнозернистой или ореховатой, комовато-глыбистый, но при этом отмечается снижение водопрочности агрегатов, что связано как с уменьшением содержания гумуса, так и с изменением микростроения агрегатов.

После проведения морфологического описания почв и их классификации учитывали показатели агрохимического анализа в пределах одной почвенной разности.

Для характеристики кислотности почв определяли величину рН в солевых вытяжках. Повышение кислотности земель – основное последствие антропогенных воздействий на почвенный покров агроландшафтов. На кислотность почв также могут влиять и природные факторы.

Показатели кислотности за периоды обследований 1992-2002 гг. и 2002-2022 гг. представлены в таблице 1.

 

Таблица 1. Динамика изменения кислотно-основных свойств и гумуса черноземных почв лесостепи Среднего Поволжья

Почва	pН		Гумус, %		Запасы гумуса, т/га
	1992-2002 гг.	2002-2022 гг.	1992-2002 гг.	2002-2022 гг.	1992 г.	2022 г.
Чернозем обыкновенный остаточно-луговатый малогумусный среднемощный легкосуглинистый / Залежь / Подсолнечник	-0,6	+0,3	-1,0	+2,2	241	289
Чернозем обыкновенный остаточно-луговатый малогумусный среднемощный среднесуглинистый / Подсолнечник	0	-0,9	-0,1	+2,2	162	246
Чернозем обыкновенный остаточно-луговатый карбонатный малогумусный среднемощный среднесуглинистый / Подсолнечник	-0,1	-0,8	+0,3	+1,5	180	221
Лугово-черноземная карбонатная малогумусная среднемощная тяжелосуглинистая / Подсолнечник	0	-0,6	0	+1,5	176	227
Чернозем обыкновенный остаточно-луговатый карбонатный малогумусный среднемощный тяжелосуглинистый / Горох / Пшеница / Залежь / Залесение	-0,6	+0,1	-0,2	+2,7	180	270
Лугово-черноземная карбонатная солончаковая сильнозасоленная малогумусная среднемощная среднесуглинистая / Залежь (солонец)	-0,4	-0,8	+0,7	+2,4	166	277
Луговая карбонатная солончаковая очень сильно засоленная среднесолонцеватая среднегумусная маломощная легкоглинистая / Залежь	-1,3	-0,4	-1,3	+4,6	153	264
Лугово-солончаковая карбонатная слабозасоленная среднегумусная среднемощная среднесуглинистая / Пастбище / Залежь	-2,4	+0,2	-0,5	+0,6	281	284
Чернозем обыкновенный малогумусный среднемощный среднесуглинистый / Залежь / Залесение	-0,2	-0,1	-0,3	+1,8	166	223

 

Наиболее динамичным показателем в пахотном слое является содержание гумуса – основной показатель плодородия почв [6-7]. Наблюдение за количеством гумуса входит в первоочередные задачи, так как изменение содержания органического вещества в почвах не только прямо связано с изменением практически всех свойств и плодородия, но и отражает влияние внешних негативных факторов. Для определения количества гумуса применен метод И. В. Тюрина [8].

Для решения генетических, почвенно-геохимических и ряда агрохимических вопросов необходимы сведения о содержании и составе гумуса по всему генетическому профилю. В данном случае образцы отбирали из каждого гумусового горизонта, в случае большой мощности последнего брали несколько образцов из одного горизонта. Отбору образцов предшествовало описание почвенного профиля и определение его таксономической принадлежности.

Согласно исследованиям Л. А. Гришиной и Д. С. Орлова [9], запас гумуса в 20 см пахотного слоя оценивается как очень низкий – при запасе менее 50 т гумуса на 1 га, низкий – при 50-100, средний – при 100-150, высокий – при 150-200, очень высокий – при более 200 т/га. Запас гумуса в почвах основных типов (по И. В. Тюрину) в слое 0-20 см (в среднем) для черноземов составляет: выщелоченных (7-8%) 192 т/га, мощных (10-12%) – 224 т/га, обыкновенных (6-8%) – 137 т/га; для серых лесных (4-6%) – 109 т/га; для темно-каштановых (3-4%) – 99 т/га.

После анализа имеющихся данных по содержанию гумуса, для сравнения провели расчет запаса гумуса (табл. 1). Ввиду недостаточности результатов прошлых лет (1992 г. и 2002 г.) провести расчет запасов гумуса в 0-100 см слое не представляется возможным, однако для сравнения были рассчитаны и приняты запасы гумуса в верхнем 0-30 см слое по результатам 1992 и 2022 гг.

В результате проведенных исследований выявлена динамика основных свойств и признаков почв. Анализируя показатели кислотности почвы, отмечено, что с 1992 по 2002 г. произошли изменения в сторону незначительного подкисления верхнего пахотного горизонта – от 0,1 до 2,40 единиц с переходом показателя рН почвенной среды от средне щелочной до нейтральной. Исключением являлись только лугово-черноземная карбонатная малогумусная среднемощная почва и чернозем обыкновенный остаточно-луговатый малогумусный среднемощный среднесуглинистый, где изменение реакции среды не выявлено.

При анализе показателей рН с 2002 по 2022 г. изменений практически не произошло: реакция почвенной среды в 2022 году оказалась близкой к нейтральной (6,0-6,7).

Динамика содержания гумуса за 30 лет (1992-2022 гг.) показала, что, исходя из полученных данных с 1992 по 2002 г. на большинстве полей произошло падение содержания гумуса от 0,1 до 1,3%. В положительную сторону изменения произошли в черноземе обыкновенном остаточно-луговатом карбонатном малогумусном среднемощном среднесуглинистом (+0,3%) и в лугово-черноземной карбонатной солончаковой сильнозасоленной малогумусовой среднемощной среднесуглинистой почве (+0,7%). Количество гумуса за 10 лет не изменилось лишь в лугово-черноземной карбонатной малогумусной среднемощной тяжелосуглинистой почве.

С 2002 по 2022 г. произошло накопление органического вещества в верхнем пахотном горизонте, где содержание гумуса увеличилось от +0,6 до +4,6%.

Для сравнения запасов гумуса были изучены почвы в слое 0-30 см, где пределы значений составили: в 1992 г. от 153 до 281 т/га, в 2022 г. – 221-289 т/га. Наименьшее значение запаса гумуса в 1992 году было характерно для луговой карбонатной солончаковой очень сильно засоленной среднесолонцеватой среднегумусной маломощной почвы (153 т/га), где, по результатам обследования 2022 года запасы гумуса увеличились на 111 т/га. Такое значительное накопление гумуса может быть связано с тем, что данная почвенная разность относится к залежным землям с 1992 года. Это привело к накоплению гумуса в значительных количествах (на 4,6%) на участке с многолетней залежью, где складывались особенные условия, которые способствовали прочной фиксации образующихся гумусовых соединений. Участок почвы лугово солончаковой карбонатной слабозасоленной среднегумусной среднемощной содержал наибольшее количество гумуса в пахотном слое (281 т/га) в 1992 году. Однако прирост гумуса за 30 лет оказался незначительным и составил 3 т/га. Данное явление можно объяснить тем, что почвенная разность расположена на участке пастбища, что ведет к ухудшению физических свойств, а также из-за выпаса скота происходят сдвиги в режиме микробной деятельности и химизма почвы. В совокупности это вызывает пересыхание почвы и изменяет азотный баланс. В результате понижается продуктивность азотфиксации, аммонификации и нитрификации почвы, замедляется ход разложения органического опада, а, следовательно, и образования гумуса.

В лугово-черноземной карбонатной малогумусной среднемощной тяжелосуглинистой почве запасы гумуса составили в 1992 г. – 176 т/га, в 2022 г. – 227 т/га; в черноземе обыкновенном остаточно-луговатом карбонатном малогумусном среднемощном в 1992 г. –– 180 т/га, в 2022 г. – 221 т/га. Эти почвенные разности относятся к пахотным землям, на которых в 2022 году возделывался подсолнечник. Более значительное изменение запасов гумуса было отмечено в черноземе обыкновенном малогумусном среднемощном среднесуглинистом, где произошло накопление гумуса с 166 т/га в 1992 г. до 223 т/га в 2022 г. Данный участок относится к залежной и залесенной территории. Полученные результаты сравнения запасов гумуса в слое 0-30 см в 1992 и в 2022 гг. показывают, что произошло повышение запасов гумуса в 1,2-1,7 раза за исключением лугово-солончаковой карбонатной слабозасоленной среднегумусной среднемощной почвы, где количество гумуса осталось неизменным.

Проведенное описание почвенного профиля и изучение результатов агрохимического анализа исследуемых участков в 2022 году позволило уточнить их таксономическую принадлежность (табл. 2).

 

Таблица 2. Перечень уточненных почвенных разновидностей черноземных почв лесостепи Среднего Поволжья

1992-2002 гг.	2002-2022 гг.
Чернозем обыкновенный остаточно-луговатый малогумусный среднемощный легкосуглинистый	Чернозем обыкновенный остаточно-луговатый высокогумусный среднемощный легкосуглинистый
Чернозем обыкновенный остаточно-луговатый малогумусный среднемощный среднесуглинистый	Чернозем обыкновенный остаточно-луговатый среднегумусный среднемощный среднесуглинистый
Чернозем обыкновенный остаточно-луговатый карбонатный малогумусный среднемощный среднесуглинистый	Чернозем обыкновенный остаточно-луговатый карбонатный среднегумусный среднемощный среднесуглинистый
Лугово-черноземная карбонатная малогумусная среднемощная тяжелосуглинистая	Лугово-черноземная карбонатная среднегумусная среднемощная тяжелосуглинистая
Чернозем обыкновенный остаточно-луговатый карбонатный малогумусный среднемощный тяжелосуглинистый	Чернозем обыкновенный остаточно-луговатый карбонатный высокогумусный среднемощный тяжелосуглинистый
Лугово-черноземная карбонатная солончаковая сильнозасолённая малогумусная среднемощная среднесуглинистая	Лугово-черноземная карбонатная солончаковая сильнозасолённая тучная среднемощная среднесуглинистая
Луговая карбонатная солончаковая очень сильно засоленная среднесолонцеватая среднегумусная маломощная легкоглинистая	Луговая карбонатная солончаковая очень сильно засоленная хлоридная среднесолонцеватая тучная маломощная легкоглинистая
Лугово солончаковая слабозасоленная среднегумусная среднемощная среднесуглинистая	Лугово солончаковая слабозасоленная хлоридная тучная среднемощная среднесуглинистая
Чернозем обыкновенный малогумусный среднемощный среднесуглинистый	Чернозем обыкновенный солончаковатый слабозасоленный хлоридный малогумусный среднемощный среднесуглинистый

 

Большинство почв, описанных в 1992-2002 гг., относились к малогумусным среднемощным. Луговая карбонатная солончаковая очень сильно засоленная среднесолонцеватая являлась среднегумусной маломощной и лугово солончаковая слабозасоленная была среднегумусной среднемощной. К 2022 году произошло накопление гумуса на всех исследуемых участках, что позволило отнести почвы к средне- и высокогумусным и тучным. Также была уточнена степень кислотности и засоленности почв, их химизм (тип) засоления, который определялся по данным анализов водных вытяжек и основывался на соотношении анионов.

Заключение.

Анализ фондовых данных почвенного обследования и полученных данных почвенного обследования за период 1992-2002 гг. позволили провести ретроспективный анализ состояния почв, выявить и установить динамику изменения основных свойств и признаков почв.

При анализе морфологического строения почвенного профиля и его описании отмечено увеличение плотности сложения от уплотненного до очень плотного на глубине 20-40 см, структура сложения верхнего горизонта изменилась в менее агрономически ценную, что связано с микростроением почвенных агрегатов.

Динамика кислотно-основных свойства рН почвенной среды за период 1992-2002 гг. – произошло подкисление верхнего пахотного горизонта на 0,1-2,4 ед. рН, за период 2002-2022 гг. – на некоторых участках (чернозем обыкновенный остаточно-луговатый малогумусный среднемощный легкосуглинистый, чернозем обыкновенный остаточно-луговатый карбонатный малогумусный среднемощный тяжелосуглинистый и лугово солончаковая карбонатная слабозасоленная среднегумусная среднемощная среднесуглинистая) произошло подщелачивание почвенной среды на 0,1-0,3 ед. рН. В 2022 году показатель реакции среды оказался на уровне 6,0-6,7.

Содержание гумуса с 1992 по 2002 г. уменьшилось на 0,1-1,3%, что привело к переходу почв в низшую градацию. По содержанию гумуса почвы большинства участков исследования классифицировались как малогумусные. Исключением являлись только лугово-карбонатная солончаковая очень сильно засоленная среднесолонцеватая и лугово-солончаковая карбонатная слабозасолённая, которые были отнесены к среднегумусным. Динамика показателей за 2002-2022 гг. выявила повышение в содержании органического вещества на 0,6-4,6%, что способствовало повышению плодородия почвы. Наибольшее накопление органического вещества наблюдалось на многолетних залежах, наименьшее – на пастбище и пахотных землях, что связано с разной интенсивностью процесса гумификации органических веществ, поступающих в почву из растительных остатков, с условиями почвенной среды и химическим составом гумусообразователей, определяющих направление микробиологических процессов.

Чернозем обыкновенный малогумусный среднемощний как карбонатный, так и остаточно-луговатый, а также лугово-черноземная карбонатная солончаковая сильнозасоленная малогумусная среднемощная и луговая карбонатная солончаковая очень сильно засоленная среднесолонцеватая среднегумусная маломощная почвы отличались наибольшим приростом гумуса (2,2-4,6%) за период 2002-2022 гг. Это способствовало накоплению в почве органического вещества и секвестрации (хранению) углерода в растительной и микробной биомассе, а также в органических и неорганических углеродсодержащих веществах почвы.

About the authors

Natalya M. Trots

Samara State Agrarian University

Author for correspondence.
Email: troz_shi@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-3774-1235

Doctor of Agricultural Sciences, Professor

Russian Federation, Ust-Kinelsky, Samara region

Sergey V. Mashkov

Samara State Agrarian University

Email: mash_ser@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-9941-3803

Candidate of Economic Sciences, Associate Professor

Russian Federation, Ust-Kinelsky, Samara region

Anna A. Bokova

Samara State Agrarian University

Email: anuta1998b@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-5193-364X

post-graduate student

Russian Federation, Ust-Kinelsky, Samara region

Evgeny E. Suvorov

Samara State Agrarian University

Email: ee_suvorov@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-5702-0246

post-graduate student

Russian Federation, Ust-Kinelsky, Samara region

References

Supplementary files