CC BY
60
5. Ильясов Р.Г., Алексахин Р.М., Фиси-нин В.И. Методология исследований и экспериментов в агроэкосфере при различных типах техногенеза // Сельскохозяйственная биология. — 2010. — № 2. — С. 3-17.
6. Методические указания по атомноабсорбционным методам определения токсичных элементов в пищевых продуктах и пищевом сырь / Государственный комитет санэпиднадзора РФ. — М., 1992. — 35 с.
7. Матвеев Н.М., Павловский В.А., Прохорова Н.В. Экологические основы аккумуляции тяжелых металлов сельскохозяйственными растениями в лесостепном и степном Поволжье. — Самара, 1997. — 220 с.
8. Бузмаков В.В., Москаев Ш.А. Природопользование и сельскохозяйственная экология. — М., 2005. — 477 с.
9. Васин В.Г., Васин. А.В., Ельчанино-ва Н.Н. Растениеводство. — Самара, 2009. — 528 с.
+ + +
УДК 631.46 В.Н. Жуланова,
В.М. Соловьева, В.В. Чупрова
ОЦЕНКА ПЛОДОРОДИЯ АЛЛЮВИАЛЬНЫХ ПОЧВ ТУВЫ НА ОСНОВЕ МОНИТОРИНГА РЕПЕРНЫХ УЧАСТКОВ
Ключевые слова: почвенный мониторинг, почва, пашня, сенокосы, пастбище, аллювиальная почва, гумус, тяжелые металлы.
Широкое распространение в Туве имеют аллювиальные почвы, которые занимают долины больших и малых рек. Пойменные почвы в Туве являются продуктивными сельскохозяйственными угодьями. В регионе они в основном используются как сенокоснопастбищные угодья. При использовании их под пашню возможно возникновение ряда негативных явлений, приводящих к ухудшению физико-химических свойств этих почв. Поэтому основной задачей агроэкомониторинга является контроль и наблюдение за состоянием основных блоков «почва-растения». Изменение свойств почв в основном следует в результате антропогенных нагрузок. В связи с этим необходим мониторинг для исследования последствий процессов, происходящих при сельскохозяйственном использовании почв.
Цель работы заключается в обобщении полученных материалов агроэкомониторинга аллювиальных почв реперных участков на земледельческой территории Тувы.
Объекты и методы исследований
Объектом исследований служили аллювиальные почвы, характеризующие почвенный покров реперных участков (РУ), которые заложены в Турано-Уюкской, Улуг-Хемской, Хемчикской и Убсу-Нурской котловинах Тувы (табл. 1). Локальные участки были заложены специалистами ФГУ ГС аг-
рохимической службы «Тувинская» в соответствии с «Государственной программой мониторинга земель РФ», утвержденной постановлением Правительства РФ № 100 от 05.02.1993 г. Наименование почв дано по классификациям 1977 и 2004 гг. [1, 2].
Отбор почвенных образцов проводился в заложенных почвенных разрезах методом колонки через каждые 20 см до глубины 100 см в 1994-2008 гг., а из верхнего 0-20 см слоя — ежегодно с 1993 по 2010 гг.
Основные химические и физико-химические показатели в почвенных образцах определены в агрохимической лаборатории по стандартным методикам: гумус — по Тюрину, подвижный фосфор и обменный калий — по Мачигину в модификации ЦИНАО, рН водной вытяжки — потенциометрическим методом, емкость поглощения — по Бобко-Аскинази, подвижные соединения меди, цинка, кадмия и свинца — по Крупскому и Александровой, валовое содержание меди, цинка, кадмия и свинца — атомно-абсорбционным методом.
Статистическая обработка данных выполнена по программе Statistica.
Результаты и их обсуждение
Аллювиальные почвы в регионе занимают большую площадь и находятся во всех котловинах. Пойменных почв около 354 тыс. га, или 2% от общей площади республики. Занято под пашней около 8%, сенокосами — 12, пастбищами — 62% от площади сельскохозяйственных угодий. Бонитет аллювиальных почв — 46 баллов.
Таблица 1
Характеристика реперных участков агроэкологического мониторинга
Котловина № реперного участка Географические координаты Угодье Название почвы по классификации
широта (северная) долгота (восточная) 1977 г. 2004 г.
Турано- Уюкская 05-15 52°01 '09" 94°23'48" Сенокос Аллювиальная дерновая маломощная супесчаная на аллювии Аллювиальная типичная гидрометаморфическая мелкая малогумусированная супесчаная на аллювии
Улуг- Хемская 03-05 5Г29'09" 92°46'43" Сенокос Аллювиальная дерновая солончаковатая среднесуглинистая на аллювии-пролювии Аллювиальная темногумусовая гидрометаморфическая засоленная мелкая сильно гумусированная среднесуглинистая на аллювии-пролювии
Хемчикская 04-09 51°09'34" 90°38'21" Орошаемая пашня Аллювиальная дерновая остепненная маломощная легко-суглинистая на песчано-галечниковом аллювии Агротемногумусовая аллювиальная типичная мелкопахотная малогуму-сированная легкосуглинистая на песчано-галечниковом аллювии
04-10 51°05'08" 90°37'19" Пастбище Аллювиальная дерновая остепненная маломощная легко-суглинистая на легкосуглинистом аллювии-пролювии Аллювиальная темногумусовая гидрометаморфическая мелкая малогу-мусированная легкосуглинистая на легкосуглинистом аллювии-пролювии
Убсу- Нурская 05-18 50°28'17" 94°53'57" Сенокос Аллювиальная дерновая маломощная легкосуглинистая на аллювиальных отложениях Аллювиальная темногумусовая гидрометаморфическая мелкая сильно гумусирован-ная легкосуглинистая на аллювиальных отложениях
05-19 50°15'30" 95° 11' 17" Пастбище Аллювиальная дерновая остепненная карбонатная маломощная супесчаная на песчаном аллювии Аллювиальная типичная гидрометаморфическая мелкая слабо гумусированная супесчаная на песчаном аллювии
Аллювиальные дерновые почвы развиваются преимущественно под лугово-разнотравно-злаковой растительностью разнообразного видового состава: костер ржаной, вейник ложнотростниковый, мятлик широкометельчатый, житняк гребенчатый, пырей ползучий, карагана карликовая, астра сибирская, полынь серая [3].
В степных котловинах Тувы выделяют аллювиальные слоистые, аллювиальные дерновые, аллювиальные дерновые остепнен-ные, аллювиальные заболоченные, аллювиальные дерновые солончаковатые почвы [4].
Профили аллювиальных почв имеют довольно однородную светло-сероватую окраску, неясно-комковатую структуру в верхних горизонтах, сменяющуюся на бесструктурное состояние в нижних. Легкосуглинистый гранулометрический состав и рыхлое сложение отмечаются только в пахотном слое, глубже сложение становится плотным, а гранулометрический состав — песчаным.
Тувинские аллювиальные почвы образуются под влиянием дернового процесса. В верхнем слое формируется гумусовый горизонт, а в горизонте С имеется наличие ржавых, охристых пятен, иловатых прослоек в супесчаной и связно-песчаной массе.
В современном почвообразовательном процессе уже нет аккумуляции свежего аллювия, поэтому идет довольно интенсивное
и быстрое остепнение аллювиальной дерновой почвы.
Аллювиальные почвы региона карбонатные, но карбонаты распределяются по профилю неравномерно и не образуют четко выделяющегося карбонатного горизонта.
Среднее содержание гумуса в слое 0-20 см аллювиальной почвы Улуг-Хемской котловины (из 4 разрезов) равняется 4,9±0,15%, а коэффициент вариации — 6%, что, по оценкам В.И. Савич [5], свидетельствует о незначительной изменчивости содержания гумуса. Содержание гумуса в слое 20-40 см снижается в 3 раза, а в слое 40-60 см — почти в 6 раз, коэффициент вариации средний.
По содержанию подвижного фосфора в слое 0-20 см почва относится к средней группировке, а обменного калия — повышенной, по приведенным показателям содержание постепенно снижается с глубиной. Коэффициент вариации обменного калия и подвижного фосфора незначительный в слое 0-20 см, но с глубины 20 см начинает приближаться к среднему и высокому соответственно.
Реакция среды нейтральная и коэффициент вариации 6-7%. Содержание обменного кальция и магния очень высокое, со средним отношением Са:Мд порядка 3:1.
На орошаемой пашне Хемчикской котловины в пахотном слое содержится 1,75%
гумуса, который постепенно снижается с глубиной. Коэффициент вариации колеблется от небольшого в верхних слоях до среднего в слое 60-80 см. Подвижными формами фосфора и калия в слое 0-20 см обеспеченность средняя.
Содержание обменного кальция среднее, а магния — повышенное. Коэффициент вариации обменного магния по всему профилю очень высокий, а кальция — от среднего в слое 0-20 см до очень высокого на глубине 60-80 см. Реакция среды слабощелочная и коэффициент вариации незначительный.
На пастбище в Хемчикской котловине в аллювиальной почве в слое 0-20 см среднее содержание гумуса равно 3,05%±0,30, коэффициент вариации — 20% [5], что свидетельствует о небольшой изменчивости содержания гумуса. Реакция среды нейтральная и коэффициент вариации незначительный. Емкость поглощения повышенная — 16 мг-экв/100 г почвы. В верхнем слое отмечается средняя обеспеченность подвижными формами фосфора и повышенная — обменным калием, варьирование 19 и 58% соответственно.
В Убсу-Нурской котловине на пастбище содержится меньше гумуса на 1,03%, чем в почве Хемчикской котловины, и на 2,58%, чем в почве Улуг-Хемской. Содержание подвижного фосфора низкое, обменного калия — среднее.
На рисунке 1 показаны изменения гумуса и подвижных форм фосфора и калия в аллювиальных почвах разного сельскохозяйственного использования. За 15 лет содержание гумуса в слое 0-20 см в исследуемых почвах изменялось незначительно. Снижение гумуса на пашне и сенокоснопастбищных угодьях происходило до 2001 г., после чего наблюдается небольшое повышение.
На пашне Хемчикской котловины (РУ 04-09) в 1994 г. содержание гумуса 1,58%, 1999 г. — 1,43, 2008 г. — 1,72%. Содержание обменного калия за 15-летний период изменяется: в начале мониторинга соответствует повышенной градации, с 2005 г. — средней. Содержание подвижного фосфора колеблется от высокой градации (1994 г.) до средней (2008 г.).
На сенокосах Улуг-Хемской и Убсу-Нурской котловин содержание гумуса больше в 1,5-1,9 раза, чем Турано-Уюкской. Во всех почвах РУ содержание подвижного фосфора соответствует средней градации, а обменного калия в Улуг-Хемской котловине колеблется от повышенной в 1994 г. до низкой в 2000-2001 гг. и средней в 2008 г., в Убсу-Нурской — от низкой (1999 г.) до средней (2009 г.), а в
Турано-Уюкской — от повышенной в начале обследования до средней в 2009 г.
На пастбище в Хемчикской котловине содержание гумуса уменьшилось с 1994 г. к 2008 г. в 1,7 раза, а в Убсу-Нурской — увеличилось в 1,5 раза. Подвижный фосфор в почвах Хемчикской котловины колеблется в период 2000-2008 гг. незначительно: от 24 до 30 мг/кг, в Убсу-Нурской — от 15 до 20 мг/кг, а обменный калий — от средней градации до повышенной.
Резкое повышение в содержании гумуса на РУ 03-05 с 1998 г., по всей видимости, можно объяснить тем, что произошло восстановление травостоя на сенокосе при временной изоляции данного участка от сенокошения [6], а в дальнейшем сенокосные угодья стали более рационально использоваться. Снижение содержания гумуса на РУ 05-18, возможно, связано с размещением около РУ стойбища животных, а также прогона скота к местам пастьбы.
По утверждению некоторых авторов, на продуктивность степей Убсу-Нурской котловины влияют различных режимы выпаса [6, 7]. Уже впервые два года заповедывания происходит восстановление растительности, особенно в составе доминантов, а основные закономерности в структуре растительного вещества проявляются после 6-8-летнего восстановления.
Почвенно-поглощающий комплекс в аллювиальных почвах любого сельскохозяйственного использования насыщен кальцием и магнием, причем содержание кальция значительно превышает содержание магния в 2,5-4 раза.
Итак, динамика содержания гумуса в аллювиальных почвах на реперных участках в слое 0-20 см выявила снижение в начальный период локального мониторинга и стабилизацию после 2000 г. как под влиянием природного, так и антропогенного воздействия. Снижение органического вещества почвы в 1991-2000 гг. можно объяснить тем, что в этот период в почву практически не вносились минеральные и органические удобрения, а также нерационально использовались сенокосы и пастбища.
Республика Тува относится к регионам с относительно невысоким техногенным загрязнением природной среды, так как в регионе практически нет промышленного производства с сопутствующими вредными выбросами и отходами. Контроль над загрязнением почв тяжелыми металлами входит в агроэкологический мониторинг. Выявлено, что почвы сельскохозяйственного использования экологически безопасны. Основными показателями оценки геохимического состояния почв являются данные содержания тяжелых металлов в почвах. Валовое коли-
чество тяжелых металлов показывает общую загрязненность почвы, но не отражает степени доступности элементов для растений.
Свинец, медь, цинк и кадмий относятся к группе малоподвижных тяжелых металлов
[8], тяжелые металлы Cd, РЬ и Zn — первый (высший) класс опасности, а Си — второй (средний) [9, 10]. Величина кларка составляет для Си 33 мг/кг, Cd — 0,5, РЬ — 55 и Zn — 32 мг/кг.
Рис. 1. Изменение гумуса, подвижных форм фосфора и калия в аллювиальных почвах в слое 0-20 см
Средние показатели фоновых концентраций меди, свинца, кадмия в почвах находятся в пределах второй группы экологотоксикологической оценки по валовому содержанию тяжелых металлов, при незначительных и средних значениях коэффициента варьирования признака (1-32%), что не представляет опасности для здоровья человека и животных. Незначительное превышение ПДК наблюдается на естественных пастбищах и сенокосах по цинку: в Улуг-Хемской котловине — в слое 0-20 см, Хем-чикской — в слое 0-40 и 60-80 см, Убсу-Нурской — в метровом слое и по кадмию в слое 0-20 см в Хемчикской котловинах (рис. 2).
Для оценки профильной дифференциации микроэлементов в почве были определены коэффициенты элювиально-аккумулятивные (КЭА) или коэффициенты радиальной дифференциации металла относительно почвообразующей породы в слое 0-80 см (табл. 2) [10]. Коэффициент рассчитывается отношением содержания металла в гор. А к С.
Выявлено, что самые высокие КЭА валового содержания меди обнаружены в слое
0-20 см в почвах сенокосного использования в Турано-Уюкской (2,83) и Хемчикской (1,66) котловинах и в пашне Хемчикской котловины (1,60). В остальных коэффициент заметно ниже и изменяется от 1,49 до 0,71. Наблюдается снижение его вниз по профилю, кроме разреза 05-19, где увеличение на глубине 60-80 см в 1,7 раза выше, чем в слое 0-20 см.
Цинк варьирует в пределах от 1,22 (пастбище Убсу-Нурской котловины) до 2,29 (сенокос Турано-Уюкской). Идет снижение его с глубиной, кроме разреза 05-19.
Валовое содержание кадмия 1,86-1,45 наблюдается также в почвах естественных экосистем. В разрезах пахотной (Хемчик-ской котловины) и пастбищной (Убсу-Нурской) почв наблюдается увеличение его вниз по профилю в 1,8 и 1,3 раза соответственно.
КЭА свинца в почве в верхнем слое варьирует в пределах от 1,03 до 2,64. Самый низкий показатель в пахотной почве, который увеличивается с глубиной, а самый высокий — на сенокосных угодьях в Улуг-Хемской котловине.
Рис. 2. Валовое содержание тяжелых металлов в почвах
Таблица 2
Коэффициенты элювиально-аккумулятивные (КЭА) и техногенного накопления (Ктн) микроэлементов в почвенном покрове пахотных, пастбищных и сенокосных угодий
№ разреза, почва Глубина, см Cu Zn Cd Pb
КЭА Ктн КЭА Ктн КЭА Ктн КЭА Ктн
05-15, аллювиальная типичная гидрометаморфическая супесчаная 0-20 2,83 0,9 2,29 1,1 1,25 1,1 1,15 1,2
20-40 2,53 0,8 2,23 1,0 1,22 0,9 1,13 1,0
40-60 1,73 0,3 2,15 3,3 1,22 1,0 1,10 1,0
60-80 1,13 0,2 2,02 2,2 1,16 0,9 1,07 1,0
03-05, аллювиальная темногумусовая гидрометаморфическая среднесуглинистая 0-20 0,71 0,9 1,76 0,8 1,49 0,9 2,64 1,1
20-40 0,63 0,9 1,51 0,8 1,31 1,0 2,61 1,1
40-60 0,41 0,8 1,11 0,8 0,91 0,9 1,46 1,1
04-09, агротемногумусовая аллювиальная типичная легкосуглинистая 0-20 1,60 1,6 1,30 4,3 0,87 0,6 1,03 1,1
20-40 1,25 1,2 1,24 4,2 1,27 1,0 1,26 1,4
40-60 1,17 1,1 1,20 3,8 1,37 1,2 1,27 1,4
60-80 1,09 1,0 1,15 3,9 1,60 1,1 1,15 1,2
04-10, аллювиальная темногумусовая гидрометаморфическая легкосуглинистая 0-20 1,66 1,7 1,50 0,8 1,86 0,8 1,42 1,0
20-40 1,44 1,4 1,48 0,8 1,57 0,9 1,30 1,3
40-60 1,21 1,1 1,17 0,6 1,28 0,7 1,25 1,2
60-80 1,14 1,3 1,12 0,9 1,14 0,7 1,19 1,3
05-18, аллювиальная темногумусовая гидрометаморфическая легкосуглинистая 0-20 1,49 1,1 1,27 1,0 1,45 1,0 1,06 1,0
20-40 1,35 1,1 1,26 1,0 1,36 1,1 1,05 1,0
40-60 1,41 1,0 1,28 1,0 1,32 0,9 0,97 0,8
60-80 1,24 - 1,25 - 1,24 - 1,07 -
05-19, аллювиальная типичная гидрометаморфическая супесчаная 0-20 0,89 1,3 1,22 1,1 1,12 1,0 1,51 1,1
20-40 0,86 1,4 1,06 1,1 1,12 1,1 1,56 0,9
40-60 1,39 1,2 1,47 1,1 1,38 0,9 1,69 0,9
60-80 1,49 0,9 1,53 1,0 1,46 1,0 1,79 1,3
Таким образом, в аллювиальных почвах пастбищных угодий элювиально-аккумулятивные коэффициенты валового содержания всех микроэлементов снижаются вниз по профилю почвы. Увеличение КЭА с глубиной наблюдается только в пастбищной почве Убсу-Нурской котловины, которая характеризуется низким содержанием гумуса 1,3% в слое 0-20 см, супесчаным гранулометрическим составом и повышенным содержанием карбонатов в профиле почвы. В пахотной почве легкосуглинистого гранулометрического состава с гумусом 1,8%, КЭА меди и цинка с глубиной уменьшается, а кадмия и свинца — увеличивается.
Для оценки техногенного загрязнения тяжелыми металлами пахотных и пастбищных угодий рассчитан коэффициент техногенного накопления (КТН) (табл. 2).
Выявлено, что за одиннадцатилетний период наибольшее валовое содержание цинка и меди наблюдается на пашне. Коэффициент техногенного накопления в слое 0-20 см цинка составил 4,3, меди — 1,6. Пастбищные угодья характеризуются небольшим накоплением тяжелых металлов в верхнем горизонте почвы (1,01-1,3). Коэффициент техногенного накопления в пастбищных угодьях в верхнем слое варьирует от 0,6 до 1,3, в нижних — от 0,2 до 1,3. И только на
пастбище в разрезе 04-10 наблюдается повышенный КТН меди, равный 1,7 в слое 0-20 см, но он снижается с глубиной.
Оценка относительного сходства аллювиальных почв, которые расположены в различных точках исследуемого региона, по гумусному состоянию, химическим и физико-химическим показателям методом кластерного анализа показывает, что все почвы попадают в один кластер (рис. 3). Наиболее близки, по Евклидову расстоянию, между собой почвы пашни Хемчикской котловины (РУ 04-09) и пастбищные угодья Убсу-Нурской (РУ 05-19), объединенные в один кластер, к ним присоединяется кластер почв сенокосных угодий Турано-Уюкской котловины (РУ 05-15) и Улуг-Хемской (РУ 03-05), а к данному блоку примыкает далеко удаленный кластер аллювиальных почв пастбищных угодий Хемчикской (РУ 04-10) и сенокосных — Убсу-Нурской котловин (РУ 05-18). Итак, образуется один кластер, в который входят все аллювиальные почвы, расположенные в различных местах исследуемого региона, и поэтому можно сказать, что кластер действительно существует. Таким образом, аллювиальные почвы, расположенные в различных котловинах Тувы, имеют сходство между собой.
SO во 100
Linkage Distance
Рис. 3. Диаграмма относительного сходства аллювиальных почв
Выводы
1. Результаты локального мониторинга почв показали, что аллювиальные почвы пастбищ и сенокосов содержат гумуса в верхнем слое 2,02-4,60%, на пашне его меньше на 0,27-2,85%. Длительное сельскохозяйственное использование аллювиальных почв, при низком уровне технологии возделывания культур, сопровождается снижением содержания гумуса, поэтому их лучше использовать под пастбищные и сенокосные угодья.
2. Валовое содержание тяжелых металлов в аллювиальных почвах находится в пределах второй группы эколого-токсико-логической оценки. Небольшое превышение ПДК по цинку наблюдается на естественных угодьях в слое 0-20 см Улуг-Хемской котловины, в слое 0-40 и 60-80 см — Хемчикской, в метровом слое — Убсу-Нурской, и по кадмию — в слое 0-20 см Хемчикской.
3. Элювиально-аккумулятивные коэффициенты по валовому содержанию микроэлементов во всех почвах снижаются с глубиной, и только в пастбищной почве Убсу-Нурской котловины и пахотной (по кадмию и свинцу) происходит незначительное увеличение.
4. За 11-летний период наблюдений на сельскохозяйственных угодьях в верхнем слое почвы в основном небольшое техногенное накопление тяжелыми металлами (1,01-1,3), кроме пахотной почвы Хемчикской котловины (КТН цинка равен 4,3).
Библиографический список
1. Классификация и диагностика почв СССР. — М.: Колос, 1977. — 224 с.
2. Шишов В.Д., Тонконогов И.И. и др. Классификация и диагностика почв России. — Смоленск: Ойкумена, 2004. — 342 с.
3. Соболевская К.А. Растительность Тувы. — Новосибирск, 1950. — С. 24-104.
4. Носин В.А. Почвы Тувы. — М.: Изд-во АН СССР, 1963. — 342 с.
5. Савич В.И. Варьирование свойств почв во времени и пространстве // Докл. ТСХА. — 1971. — Вып. 162. — С. 111-115.
6. Самбуу А.Д. Антропогенная динамика растительности Тувы. — Кызыл: ТувИКОПР СО РАН, 2004. — 40 с.
7. Гаджиев И.М., Королюк А.Ю., Титля-
нова А.А. и др. Степи Центральной Азии. — Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2002. —
299 с.
8. Глазовская М.А. Методические основы оценки эколого-геохимической устойчивости почв к техногенным воздействиям: метод. пособие. — М.: Изд-во Моск. ун-та, 1997. — 102 с.
9. Водяницкий Ю.Н. Формулы оценки суммарного загрязнения почв тяжелыми металлами и металлоидами // Почвоведение. — 2010. — № 10. — С. 1276-1280.
10. Водяницкий Ю.Н., Плеханова И.О.,
Прокопович Е.В., Савичев А.Т. Загрязнение почв выбросами предприятий цветной металлургии // Почвоведение. — 2011. —
№ 2. — С. 240-249.
+ + +
