Hydrophysical soil features under mixed age plant formation in reclaimed agrolandscape

Full Text

Биологизация современного земледелия приводит к затуханию деградационных процессов в ландшафтах, повышению плодородия почвы и улучшению качества продукции. Благотворное воздействие трав на физические свойства пахотных горизонтов широко известно. [1, 2, 4, 6] однако, влияние ландшафтных условий в сочетании с особенностями травостоев на плотность, пористость и влажность исследованы недостаточно. Цель работы - исследование процессов образования структуры пространственно-временной вариабельности физических свойств окультуренных почв.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Холм - типичное для Нечерноземья ландшафтное образование с плоской вершиной и длинными пологими склонами. Трансформацию физических свойств пахотных горизонтов почвы под воздействием разнообразных травостоев в различных ландшафтных условиях сотрудники ФГБНУ ВНИ- ИМЗ изучали в режиме долговременного мониторинга (1997-2014) состояния почвенного покрова агроэкологического стационара, который расположен на конечно-моренном холме с относительным превышением 15 м. В его пределах выделено четыре типа элементарных геохимических ландшафтов - агромикроландшафтов (АМЛ). Варианты ландшафтно-полевого опыта: 1 - элювиально-аккумулятивный (Э-А) на вершине, где вместе с нисходящим током воды и питательных веществ происходит их частичная аккумуляция в микропонижениях; 2 - элювиально-транзитные (Э-Т) в пределах пологих верхних частей склонов, здесь наблюдается нисходящий ток веществ и их боковое перемещение;

• - транзитные (Т) в центральных частях склонов с преобладанием бокового перемещения веществ;
• - транзитно-аккумулятивные (Т-А) в наиболее пониженных частях стационара, где совмещено латеральное перемещение веществ и частичная их аккумуляция из грунтовых и намывных вод.

Почвообразующие породы в пределах стационара имеют двучленный характер - на южном склоне средняя глубина залегания морены превышает 1 м, на северном - 0,5.0,6 м, а местами выходит на поверхность. Почвенный покров представлен вариацией-мозаикой дерново-подзолистых почв разного геологического строения и степени заболоченности. [5, 7]

Исследования проводили на трансекте (профиль), пересекающей все микроландшафтные позиции холма. Она представляет собой длинное поле, разделенное на семь продольных полос, засеянных культурами зернотравяного севооборота. Физические свойства почвы изучали в полях, занятых: 1 - покровным овсом (Аргамак) с подсевом трав (клевер луговой ВИК 7, тимофеевка луговая ВИК 9); 2 - злакобобовым травостоем 1 г.п.; 3 - злакобобовым травостоем 2 г.п.; 4 - 5-компонентной злакобобовой травосмесью на выводном поле (клевер луговой ВИК 7, люцерна синегибридная Вега 87, райграс пастбищный ВИК 6, овсяница луговая Московская 26, тимофеевка луговая ВИК 9).

Мониторинг состояния физических свойств почвенного покрова проводился в пределах каждого поля в 30 точках опробования, расположенных через 40 м друг от друга. Три раза за вегетацию определяли влажность термовесовым методом и плотность с помощью бура. Во всех точках однократно измеряли плотность твердой фазы методом пикнометров. [3, 8] Выявили влажность почв в объемных процентах, общую пористость и пористость аэрации.

Усредненные по годам данные мониторинга физических свойств почвы исследовали методом трехфакторного дисперсионного анализа: фактор А - особенности склонов разной экспозиции (северная и южная), фактор В - особенности микроландшафтов (АМЛ) в пределах склона, фактор С - гидроморфизм почв (глееватые и глеевые) в пределах конкретных АМЛ. Степень влияния факторов и их сочетаний на физические свойства почв определяли путем деления частной факториальной суммы квадратов на общую. Исходя из того, что физические свойства почвы практически полностью зависят от характера ландшафта и растительности, можно обозначить ее роль в их формировании при вычитании из 100% суммы достоверных влияний ландшафтных условий.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Установлено, что плотность пахотных горизонтов закономерно увеличивается по мере старения травостоев. Так, под покровом овса ее среднее значение составляет 1,19 г/см³; под травами 1 г.п - 1,25;

• г.п. - 1,26; под 5-компонентной травосмесью - 1,34 г/см³.

Уплотнение почвы объясняется постепенным достижением равновесной плотности при отсутствии механического воздействия. Этот процесс имеет нелинейный характер. В его течении наблюдаются два качественных скачка: первый - при переходе от пахотного угодья в луговое состояние, второй - при кардинальном увеличении возраста травостоя.

На рисунке а (4-я стр. обл.) показаны результаты дисперсионного анализа влияния факторов агро- производственной и природной среды на плотность гумусовых горизонтов почв под различными травостоями в пределах агроландшафта. Все исследуемые травостои можно разделить на две группы: 1 - молодые (1 и 2 годы пользования), 2 - возрастные (>

• лет).

Плотность почвы под молодыми травостоями на 30.40% определяется особенностями корневой системы растительного сообщества, а под возрастными - она практически полностью зависит от них. Влияние степени гидроморфизма в различных ландшафтных условиях на формирование плотности на выводном поле объясняется процессом приспособления травостоев к особенностям природной среды ландшафта. Можно отметить, что растительное сообщество зрелых травостоев (2 г.п.) - мощный и самодостаточный фактор формирования плотности гумусовых горизонтов почвы. А на ранних и поздних этапах развития агроценоза ландшафтные условия во многом определяют пространственные особенности этой характеристики плодородия.

Под посевами покровной культуры растительный ярус агробиогеоценоза и особенности водного режима местоположений определяют ® по 40%-й вариабельности плотности почв, а 16% приходится на долю экспозиционного фактора. Под травами 1 г.п. влияние растительного яруса снижается, вследствие отсутствия корневой системы покровной культуры, а воздействие ландшафта растет и становится разнообразнее. На вариабельность плотности в разной степени воздействуют все, изучаемые нами, структурные части и компоненты ландшафта. Травы 2 г.п. характеризуются формированием мощной корневой системы как бобовых растений, так и злаков, при этом влияние ландшафтных факторов на пространственную изменчивость плотности почвы становится недостоверным. Старение травостоя в пределах выводного поля сопровождается его приспособлением к увлажнению и заболачиваемости, что способствует заметному проявлению влияния гидроморфизма в различных ландшафтных условиях на плотность.

Данные многолетнего мониторинга влажности почвы показали, что ее среднемноголетние значения под покровной культурой равны 19,7 об.%, под травами 1 и 2 г.п. ® 20,3 об.%, а на выводном поле — 23,2 об.%. Это объясняется разной транспирационной способностью растительных пологов, а также особенностями инсоляции и эвапорации поверхности почвы под ними. Максимальная транспирация наблюдается на злакобобовых травостоях 1 и 2 г.п., однако они, наряду с выводным полем, характеризуются наибольшим затемнением и наименьшей проветриваемостью.

Характер растительного покрова овсяного поля определяет менее 40% пространственной вариабельности влажности пахотного горизонта. (рис. б, 4-я стр. обл.)

Основные ее черты обусловлены особенностями различных структурных частей агроландшафта вследствие того, что урожайность овса в значительной степени зависит от характера рельефа. [5] Максимальное влияние оказывают особенности водного режима АМЛ различных склонов.

Возраст злакобобовых травостоев в севообороте не оказывает существенного воздействия на структуру факторов, влияющих на пространственную изменчивость влажности почвы в пределах агроландшафта конечно-моренного холма. Характер вариабельности влажности под травами 1 и 2 г.п. более чем наполовину определяется особенностями растительного яруса агробиогеоценозов вследствие транспирации им влаги, затенения дневной поверхности почвы и препятствия циркуляции приземного воздуха. Значительное воздействие оказывают и ландшафтные факторы, прежде всего экспозиция склонов и особенности миграции влаги в их разных частях.

Общая пористость почвы во многом зависит от характеристик корневых систем растительности. Вследствие увеличения плотности почв по мере старения травостоя происходит и закономерное снижение их пористости. Средняя по стационару пористость почвы под покровным овсом равна 54%, под травами 1 г.п. — 51,5, 2 г.п. — 50,7, а в пределах выводного поля — 48%.

Пористость пахотного горизонта под покровным овсом более чем на 40% зависит от характера растительности, однако решающую роль играют особенности миграции влаги в почвенной толще (рис. в, 4-я стр. обл.).

Под травами 1 г.п., вследствие исчезновения корневой системы овса, растительность определяет только 23% вариабельности пористости почвы в агроландшафте — в основном на нее влияют особенности различных структурных частей природного комплекса. Под травами 2 г.п. факторное пространство вариабельности во многом приобретает черты такового под покровной культурой. Это можно объяснить развитием злаковых, которые имитируют овес, вследствие чего архитектоника ризосферы трав 3 г.п. напоминает структуру корневой системы покровного посева. Под старыми травостоями достоверное влияние ландшафтных условий на пористость почвы не обнаружено, вследствие развития у них мощной и разнообразной корневой системы.

В результате мониторинга пористости аэрации выявлено, что старение травостоев способствует ее снижению. Под покровным овсом ее среднее по стационару значение равно 33,9%, под травами 1 г.п. — 30,9; 2 г.п. — 30,3; под 5-компонентной травосмесью — 24,4%.

Сравнительный анализ рисунков б и г (4-я стр. обл.) выявил, что набор факторов, влияющих на характер пространственной вариабельности пористости аэрации почв мелиорированного агроландшафта, во многом зависит от пространственного распределения их влажности. В наибольшей степени эта закономерность характерна для почвы под покровными посевами. Однако, на пористость аэрации здесь оказывает дополнительное влияние разнообразие гидроморфных обстановок в различных АМЛ. Под травами 1 г.п. на пористость аэрации незначительно воздействует, по сравнению с влажностью, и экспозиция склонов. Развитие злаковых в травостое приводит к тому, что под травами 2 г.п. на пористость аэрации почвы в значительной степени влияет и характер миграции влаги в различных частях ландшафта. Пространственная вариабельность пористости аэрации под старыми травостоями только на 15% зависит от характера растительного покрова — в основном, она определяется пространственной изменчивостью ландшафтных условий.

ВЫВОДЫ

Многолетний мониторинг показал, что травосеяние — эффективный прием регуляции водно-воздушных свойств почвы агроландшафта.

По мере старения травостоев возрастает плотность почвы, вследствие достижения ею равновесных значений, увеличивается их влажность в результате снижения интенсивности эвапорации, снижаются значения пористости и пористости аэрации, однако, влияние трав на физические свойства усиливается.

Максимальное влияние растительный компонент агроландшафта оказывает на пространственную вариабельность плотности (62,3%) и пористости (51,5%) почвы. Пространственная изменчивость других параметров водно-воздушного режима в основном зависит от особенностей агроландшафта — растительность определяет 36% вариабельности влажности и 22% изменчивости пористости аэрации.

Можно образовать следующий ряд по убыванию степени влияния ландшафтных факторов на пространственную вариабельность водно-физических свойств почвы под травостоями: индивидуальные свойства АМЛ в пределах конкретных склонов (взаимодействие факторов АВ), определяющие около 20% вариабельности показателей; общие особенности миграции влаги в почвенном профиле (фактор В) — около 18% изменчивости; совокупное влияние всех структурных элементов агроландшафта (взаимодействие АВС) — около 10% вариабельности; экспозиция склонов (фактор А) — около 5%; особенности почв разного гидроморфизма в пределах конкретных АМЛ (взаимодействие ВС) — около 3%; гидроморфизм почв (фактор С) — 0,4%; совместное влияние гидроморфизма почв и экспозиции склонов (АС) определяет только 0,2% вариабельности водно-физических свойств почв.

Новые знания, полученные в ходе исследований, можно применять при разработке мероприятий по оптимизации продукционного процесса культур в пределах агроландшафтов.

About the authors

D. A. Ivanov

All-Russian Research Institute of Reclaimed Lands

Author for correspondence.
Email: 2016vniimz-noo@list.ru

Corresponding member of RAS, Professor

Russian Federation, 170530, Tverskaya obl., p. E`mmauss, 27

M. V. Rublyuk

All-Russian Research Institute of Reclaimed Lands

Email: 2016vniimz-noo@list.ru

PhD in Agricultural sciences

Russian Federation, 170530, Tverskaya obl., p. E`mmauss, 27

References

Supplementary files