CC BY
22
УДК 631.43:579(571.53)
ПОЧВЫ И ПОЧВЕННАЯ МИКРОБИОТА ЕСТЕСТВЕННЫХ И ОСВОЕННЫХ ЛАНДШАФТОВ ЮЖНОГО ПРЕДБАЙКАЛЬЯ, СФОРМИРОВАННЫХ В УСЛОВИЯХ БУГРИСТО-ЗАПАДИННОГО МИКРОРЕЛЬЕФА
А. А. Козлова, канд. биол. наук, доцент; А. П. Макарова, канд. биол. наук, доцент
Иркутский государственный университет, т. 83952(361296), [email protected]
Своеобразие палеогеографической обстановки Южного Предбайкалья привело к формированию бугристо-западинного рельефа. Он способствует дифференциации процессов почвообразования на буграх и в западинах, что приводит к формированию комплексности почвенного покрова. При распахивании земель с бугристо-западинным рельефом происходит его нивелирование, часть почвенного материала перемещается с бугров в западины, что влечет существенное изменение свойств почв, приводящее к потере почвенного плодородия, деградации почв и снижению урожайности культур.
Ключевые слова: комплексность почвенного покрова, бугристо-западинный микрорельеф, почвенная микробиота, деградация почв.
Введение. В работе рассматривается территория южной части Предбайкалья -наиболее благоприятной по природным условиям для проживания и хозяйственной деятельности населения, которая находится на юге Восточной Сибири и включает южную часть Иркутско-Черемховской равнины и Предбайкальской впадины, представляющих собой краевые прогибы Сибирской платформы [1].
Климат Южного Предбайкалья отличается резкой континентальностью, предопределяется положением региона в центре Азиатского материка, орографической изоляцией и большим влиянием Сибирского антициклона [1]. Своеобразие внутригодо-вого изменения гидротермических показателей заключается в резком различии (310-кратном по показателям атмосферного увлажнения) между сухим и влажным сезонами теплого периода, что обуславливает соответственно заторможенность или активизацию биологического круговорота [2].
Иркутско-Черемховская равнина характеризуется холмисто-увалистым рельефом с высотой междуречий 500...650 м, слабо расчлененным неглубокими долинами. Рыхлые отложения на междуречных пространствах равнины, являющиеся почво-образующими породами, генетически связаны с коренными юрскими породами (песчаниками, алевролитами и конгломератами). В речных долинах и древних озерных террасах сформировались четвертичные отложения, представленные песками, галечниками, глинами, суглинками, являющимися почвообразующими породами. Для южной части Предбайкальской впадины
характерны синклинальные равнины древних речных долин, чередующиеся со слабо выпуклыми междуречьями, достигающими высоты 700 м. Лессовидные суглинки в качестве почвообразующих пород распространены на юге Предбайкальской впадины [1].
Комплекс природных условий Иркутско-Черемховской равнины и южной части Предбайкальской впадины обусловил широкое развитие здесь подтаежных, лесостепных и степных почв [2].
Объекты и методы исследования. Своеобразие палеогеографической обстановки на юге Предбайкалья привело к образованию бугристо-западинного микрорельефа, начало формирования которого относят к позднему плейстоцену. Во время похолодания образовались полигональные структуры, разбитые трещинами, которые заполнились жильным льдом. В дальнейшем, при потеплении климата, многолетняя мерзлота деградировала, при вытаи-вании жильного льда возникли псевдоморфозы, или мерзлотные клинья [3,4].
В настоящее время бугристо-западин-ный микрорельеф представляет собой чередование бугров и западин округлой и овальной формы. Диаметр бугров составляет около 5...10 м, превышение над западинами достигает 0,5...1,5 м. В местах с мощным чехлом рыхлых отложений диаметр бугров может достигать 15...20 м, а высота 2... 3 м.
В условиях бугристо-западинного рельефа многими исследователями отмечается сложность почвенного покрова, обусловленная контрастностью почвенных комби-
наций [2, 5]. Почвы бугров и почвы западин, образуя небольшие ареалы, чередуются на малых расстояниях и создают комплексный почвенный покров.
При распахивании земель с бугристо-западинным рельефом происходит существенное изменение свойств почв, нивелирование поверхности и усиление неоднородности почвенного покрова. В. П. Парши-ковым [5] процесс выравнивания поверхности на пашне и дифференциация почв с появлением на бугорках светлых малоплодородных горизонтов рассматриваются как механическая эрозия, приводящая к снижению урожайности в 2...5 раз. Образовавшийся при этом двучленный комплекс выделяется в качестве самостоятельной группы эрозионно-комплексных земель.
Поэтому знание морфологического строения, дифференциации химических и физических свойств, экологических особенностей развития почв бугристо-западинного рельефа дает представление о самобытности почвенного покрова и почв Южного Предбайкалья.
Объектами исследования стали дерновые лесные почвы и черноземы Иркутско-Черемховской равнины и Предбайкальской впадины, находящиеся в условиях степи и подтайги в естественном и освоенном состоянии.
Комплекс подтаежного ландшафта представлен дерновой лесной почвой со вторым гумусовым горизонтом в западине с формулой профиля: О-|-О2-А^А-В-[А]1-[А]2-ВС-С (разрез 3) и дерновой лесной бескарбонатной на бугре, формула профиля: О-А^А-В-|-В2-С (разрез 4). Превышение бугра над западиной составляет 1...1,5 м, его диаметр составляет около 20 м. Растительность: березняк папоротниково-разно-травный.
Почвенная комбинация степного участка состоит из чернозема выщелоченного мощного многогумусного в западине с формулой профиля: Ар-А-[А] (разрез 7) и чернозема выщелоченного маломощного малогумусного на бугре, формула профиля: А^А-АВ-В-Вса (разрез 8). Западина ниже вершины бугра на 1,0.1,2 м, диаметр бугра около 20 м. Растительность: злаково-разнотравная степь.
Комбинации освоенных ландшафтов состоят из агрогенно-преобразованных почв соответствующих типов. Превышение бугорков над западинками составляет всего 40...50 см, а диаметр бугров свыше 20...25 м.
Для максимального учета всех факторов почвообразования, формирующих и усложняющих почвенный покров в услови-
ях бугристо-западинного рельефа, был применен сравнительно-экологический подход [6]. Определение общего углерода и расчет запасов гумуса проведено общепринятыми методами [7]. Изучение микро-биоты проведено стандартными почвенно-микробиологическими методами [8].
Результаты. Установлено, что наиболее общие различия между почвами бугров и западин состоят в неодинаковой мощности гумусового горизонта и в разном содержании гумуса. Так, глубина гумусового горизонта западины вместе с погребенным в дерновой лесной почве составляет 75 см, в черноземе - 110 см. На бугре мощность органогенных горизонтов значительно меньше и в лесу равна 15 см, в степи вместе с горизонтом АВ - 40 см. Одной из причин малой мощности гумусового горизонта на буграх, отвечающих плакорным условиям почвообразования, является характер распределения корневой массы, а именно прижатость ее к поверхности, что, вероятно, обусловлено особенностью термического режима исследуемых почв: более глубокому проникновению корней препятствуют низкие температуры поздно оттаивающего в весенне-летний период почвог-рунта. Не менее важной причиной малой мощности гумусового горизонта, особенно чернозема на бугре, является различная интенсивность биохимических процессов в условиях резкой континентальности климата региона. В весеннее время они замедлены и усиливаются лишь к середине лета. Наиболее интенсивная микробиологическая деятельность наблюдается лишь в июле-августе, когда максимум осадков совпадает с максимальным прогреванием почвы [9].
Поскольку мощность гумусового профиля исследуемых целинных дерновых лесных почв и черноземов на буграх небольшая, то их распашка, а затем и смыв ведет к заметной потере в них органического вещества и уменьшению мощности гумусового горизонта. В понижениях на пашне под пахотным горизонтом сохраняются остатки погребенного гумусового горизонта, однако мощность его также гораздо меньше, чем в целинных почвах.
Распределение запасов гумуса в почвах бугров и западины имеет существенное различие . Так, запасы гумуса в верхнем 0...20 см слое дерновой лесной почвы максимальны в гумусовом горизонте целинной почвы западины и достигают 244 т/га, на бугре их количество значительно меньше и составляет всего 150 т/га (табл. 1).
Нива Поволжья № 4 (13) ноябрь 2009 33
Таблица 1
Запасы гумуса в дерновых лесных почвах (т/га)
Разрез Угодье, элемент микрорельефа Глубина,см
0...20 0...60 0...100
1 Пашня, западина 64 142 184
2 Пашня, бугор 60 92 134
3 Целина,западина 244 397 464
4 Целина, бугор 150 200 246
При сравнении запасов гумуса в слое 0.60, 0.100 см видно явное их превышение в западинах по сравнению с буграми, причем в слое 0.60 см это превышение составляет примерно 2 раза, в слое 0.100 -1,5 раза.
В черноземах гумусовые горизонты бугра и западины имеют примерно одинаковые запасы (130.150 т/га) Однако в слое 0.60 см запасы гумуса в западине начинают превышать их на бугре в 1,5 раза, а в слое 0.100 почти в 2, это отражается на неоднородном состоянии посевов [5, 10, 11] (табл. 2).
В целом общие запасы гумуса в метровой толще выщелоченного чернозема на бугре значительны, хотя несколько уступают по величине черноземам Русской равнины, запасы которых в среднем составляют 549 т/га [12]. По данным Е. А. Афанасьевой [13], запасы гумуса в выщелоченных черноземах Стрелецкой степи колеблются в пределах от 469 до 587 т/га. Однако по запасам гумуса в верхней полуметровой толще черноземы Южного Пред-байкалья могут даже превосходить курские выщелоченные черноземы, у которых запасы составляют 325.384 т/га.
При распахивании в результате плоскостной эрозии происходит смыв наиболее тонкодисперсной гумусированной части, поэтому наблюдается значительное снижение запасов гумуса в пахотных горизонтах дерновых лесных почв - в 3,8 раза в западине и 2,5 раза на бугре по сравнению с целиной. С глубиной эти различия еще более усиливаются.
При распашке чернозема уменьшение запасов гумуса в пахотном горизонте менее заметно, чем в дерновых лесных почвах. Однако в метровом слое почвы западины запасы гумуса в 1,5 раза снижены по
сравнению с целиной. На бугре их снижение менее заметно, что связано с изначально большей мощностью гумусовых горизонтов в целинных черноземах, чем в дерновых лесных почвах (табл. 2).
Микробиологические исследования органогенных горизонтов дерновых лесных почв и черноземов Южного Предбайкалья на целине и пашне, развитых в условиях бугристо-западинного микрорельефа, выявили ряд особенностей (табл. 3).
Так, численность копиотрофов (быстрорастущих бактерий за счет активной утилизации органических веществ) в гумусовых горизонтах дерновых лесных почв на бугре составляет 800 тыс. КОЕ/г (колоние-образующих единиц на 1 г почвы). В западине, при больших запасах гумуса, их количество не превышает 190 тыс. КОЕ/г. В черноземе общая численность аммонифи-каторов намного выше, чем в дерновой лесной почве, при этом закономерность в отношении повышений и понижений сохраняется, что связано с особенностями температурного и воздушного режимов почв бугров и западин. Общее количество бактерий, минерализующих органику, в гумусовом горизонте чернозема на бугре составляет 1600 тыс. КОЕ/г, в западине - 320 тыс. КОЕ/г. Погребенные гумусовые горизонты, как дерновых лесных почв, так и черноземов, характеризуются низким содержанием аммонификаторов.
Количество актиномицетов, характеризующих глубину процессов минерализации органики, в черноземах на порядок выше, чем в дерновых лесных почвах, что объясняется эколого-трофическими условиями среды обитания. При этом в черноземе, в отличие от дерновой лесной почвы, численность актиномицетов в меньшей степени зависит от рельефа местно-
Таблица2
Запасы гумуса в выщелоченных черноземах (т/га)
Разрез Угодье, элемент микрорельефа Глубина,см
0...20 0...60 0...100
5 Пашня, западина 126 431 531
6 Пашня, бугор 137 362 414
7 Целина,западина 127 486 874
8 Целина, бугор 142 338 437
сти. В погребенных горизонтах обоих типов почв актиномицеты вообще не обнаружены или присутствуют (в черноземе) незначительно.
Грибов - гидролитиков, гидролизующих сложные полимеры, максимальное количество обнаружено в гумусовых горизонтах исследуемых почв. С глубиной на буграх их численность резко снижается, а в западинах, особенно занятых черноземом, наоборот, увеличивается.
Максимальное количество олигонит-рофилов (растут в безазотистом питательном субстрате) в дерновой лесной почве обнаружено на бугре. В черноземе подобной зависимости от рельефа не просматривается. Однако общей закономерностью для обоих типов целинных почв является очень низкая численность олигонитрофи-лов в погребенных горизонтах, а также полное отсутствие здесь нитрификаторов. В то же время денитрификаторы, как факультативно-анаэробные, так и строгие анаэробы, присутствуют в значительных количествах во всех горизонтах исследуемых почв независимо от микрорельефа. При этом их титр в органогенных горизонтах дерновой лесной почвы значительно выше, чем в черноземе. Отношение количества олигонитрофилов к денитрификато-рам характеризует соотношение процессов создания-разложения азотсодержащих органических веществ.
В результате исследований выявилось, что в дерновых лесных почвах основную долю в составе прокариотных сообществ
составляют неспорообразующие бактерии. Содержание спорообразующих форм бактерий, обладающих более мощным ферментативным аппаратом и разлагающих трудномобилизуемые вещества, выше в черноземах. О более глубоком и интенсивном превращении органического вещества в черноземе свидетельствует также высокая численность актиномицетов.
В целом, более оптимальные условия для жизнедеятельности микроорганизмов большинства эколого-трофических групп создаются на буграх соответствующего типа почвы. Это связано с лучшей прогреваемостью почв выпуклых форм микрорельефа. В то же время высокая численность микромицетов-гидролитиков отмечена в понижениях с высоким содержанием гумуса и, возможно, увлажнением.
При воздействии такого мощного антропогенного фактора, как вспашка, в дерновой лесной почве не прослеживается резкого изменения количественной структуры микробиоты, поскольку формирование дерновых лесных почв идет под пологом разнотравного леса и почвообразовательные процессы здесь протекают более сглаженно. Хотя различия между буграми и западинами по микробиологическим показателям сохраняются.
При распахивании чернозема наблюдается значительное возрастание численности микроорганизмов всех эколого-трофических групп, особенно аммонифицирующих бактерий. При этом сохраняется преимущественное развитие микробиоты на буграх. По мне-
Таблица 3
Количественный состав микробных сообществ (н/о - не обнаружено)
Разрез Угодье, микрорельеф Горизонт, глубина, см Бактерии-аммони-фикаторы Акти-номи-цеты Олиго-нитро-филы Микро-мицеты Дени-трифи-каторы Нитри-фика-торы
тыс. колоний образующих единиц (КОЕ) / г Титр
Дерновые лесные почвы
1 Пашня, западина Ар 0...25 60 8,0 250 7,9 0,00001 0,1
2 Пашня, бугор Ар 0...25 300 34 700 5,8 0,000001 0,1
3 Целина, западина А 6...14 190 5,0 400 9,2 0,00001 0,1
В 14...27 66 н/о* 80 3,0 0,001 0,1
[А]1 27...54 80 н/о 23 2,0 0,001 н/о
[А]2 54...75 64 н/о 65 1,8 0,0001 н/о
4 Целина, бугор А 5...10 800 23 680 4,2 0,000001 0,01
Выщелоченные черноземы
5 Пашня, западина Ар 0...25 304 260 1000 4,9 0,001 0,1
6 Пашня, бугор Ар 0...25 5900 500 1200 6,6 0,01 0,01
7 Целина, западина А 0...30 320 120 1700 9,1 0,0001 0,1
[А]1 30...108 240 10 45 18,0 0,01 н/о
8 Целина, бугор А 0...15 1600 90 870 4,6 0,0001 0,01
АВ 15...40 980 9,0 370 0,2 0,01 0,1
В 40...75 600 4,6 120 0,09 0,000001 н/о
Нива Поволжья № 4 (13) ноябрь 2009 35
нию ряда авторов [14, 15], активное разложение органики в свежевспаханных черноземах со временем приводит к снижению трофических резервов в старопахотных почвах и затуханию микробиологических и биохимических процессов, а следовательно, к снижению почвенного плодородия.
Выводы. 1. Влияние бугристо-западин-ного микрорельефа отражается в различии морфологического строения почв бугров и западин, прежде всего в мощности гумусовых горизонтов и запасах гумуса. В западинах запасы гумуса в целинных дерновых лесных почвах в 1,5 раза выше, чем на буграх, в целинных черноземах - в 2 раза.
2. Распахивание усиливает гетерогенность почвенного покрова, ухудшает агрономические свойства почв; происходит значительное снижение запасов гумуса в пахотных горизонтах. В дерновых лесных почвах оно составляет 3,8 раза в западине и 2,5 раза на бугре, в черноземе - 1,5 раза в западине и менее заметно на бугре. Плоскостной смыв наиболее гумусированной части почв, а также припахивание малоплодородных нижних горизонтов почв ведет к заметной потере их плодородия.
3. Установлено, что наиболее оптимальные условия для жизнедеятельности прокариотных микроорганизмов создаются на буграх, а наиболее высокая численность эукариотных микромицетов отмечается в западинах. При этом целинный чернозем оказался богаче целинной дерновой лесной почвы по численности микробиоты, что объясняется его высокой питательной ценностью, в том числе за счет гумуса.
4. Распаханный чернозем характеризуется возрастанием количественных показателей всех эколого-трофических групп микроорганизмов особенно аммонифицирующих бактерий, что указывает на недавнее его освоение, сопровождающееся всплеском деятельности микробиоты. В дерновой лесной почве не прослеживается резкого изменения количественной структуры микробиоты даже под воздействием такого мощного антропогенного фактора, как вспашка. Однако различия по микробиологическим показателям между почвами бугров и западин сохраняются как на целине, так и на пашне.
Литература
1. Атлас Иркутской области. - М. - Иркутск: ГУГК, 1962. - 182 с.
2. Кузьмин, В. А. Почвы Предбайкалья и Северного Забайкалья / В. А. Кузьмин. - Новосибирск: Наука. Сиб. отд-ние, 1988. - 175 с.
3. Величко, А. А. Природный процесс в
плейстоцене / А. А. Величко. - М.: Наука, 1973. - 256 с.
4. Воробьева, Г. А. Значение позднеп-лейстоценовых отложений и процессов для современного почвенного покрова юга Восточной Сибири / Г. А. Воробьёва // Почвы территорий нового освоения, их режимы и рациональное использование. - Иркутск: Изд-во ин-та географии СО АН СССР, 1980. - С. 13-17.
5. Паршиков, В. П. Особенности методики изучения эрозионно-комплексных земель Приангарья / В. П. Паршиков // К вопросу изучения системы земледелия. -Иркутск, 1972.- С. 30-35.
6. Соколов, И. А. Некоторые теоретические итоги и проблемы изучения почв Восточной Сибири и Дальнего Востока / И. А. Соколов // Почвоведение. - 1991. -№ 5. - С. 131-145.
7. Аринушкина, Е. В. Руководство по химическому анализу почв: учебное пособие / Е. В. Аринушкина. - М.: Изд-во МГУ, 1970. -487 с.
8. Практикум по микробиологии / под. ред. А. И. Нетрусова. - М.: Академия, 2005.
9. Белых, А. Г. Пищевой режим черноземов Приангарья / А. Г. Белых // Почвы юга Средней Сибири. - Иркутск, 1988. -С. 83-94.
10. Колесниченко, В. Т. Плодородие подтаежных почв Средней Сибири и эффективность удобрений / В. Т. Колесниченко // Информ. бюллетень СИФИБР. - Иркутск, 1971, вып. 9. - С. 66-68.
11. Крупкин, П. И. Микропестрота почвенного покрова и урожай в лесостепи Центральной Сибири / П. И. Крупкин, Э. И. Крупкина // Почвоведение. - 1971. - № 3. -С. 3-14.
12. Болотина, Н. И. Запасы гумуса и азота в основных типах почв СССР / Н. И. Болотина // Почвоведение. - 1947. -№ 5. - С. 24-32.
13. Афанасьева, Е. А. Черноземы среднерусской возвышенности / Е. А. Афанасьева. - М.: Наука, 1966. - 240 с.
14. Полянская, Л. М. Структура микробной биомассы в пахотных почвах / Л. М. Полянская, Д. Г. Звягинцев // Материалы II Международной научно-практической конференции «Почва как связующее звено функционирования природных и антропогенно преобразованных экосистем». - Иркутск: Изд-во Иркут. ун-та, 2006.
15. Артамонова, В. С. Микробиологические особенности антропогенно преобразованных почв Западной Сибири / В. С. Артамонова. - Новосибирск, 2002.
