Scientific journal

Fundamental research

ISSN 1812-7339

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 1,674

Почва - одна из самых консервативных подсистем биогеоценоза, играющая буферную роль и служащая фильтром, изменяющим состав проходящих через нее потоков вещества. В результате хозяйственной деятельности человека происходит перераспределение части элементов в биосфере. Геохимические и биогеохимические процессы значимо различаются в природных и сельскохозяйственных ландшафтах, почва включает эти изменения в свою «память».

Разнообразие географических условий, почвообразующих пород, литолого-минералогического состава твердой фазы почв и пород предопределило широкое варьирование элементов в почвах разных регионов. Поведение микроэлементов будет различным как для разных элементов в почве, так и для одного элемента в разных почвах. Переход элементов из почвы в растения определяется почвенными характеристиками и системой земледелия [2]. О степени перераспределения элементов растениями можно судить по их коэффициенту биологического поглощения (КБП), представляющему собой частное от деления концентрации элемента в золе растений к его концентрации в почвообразующей породе [7; 8]. На аккумуляцию рассеянных элементов сильно влияют конкретные природные условия. Некоторые элементы сильнее поглощаются растительностью в одних ландшафтах, слабее - в других. Кроме того, для разных элементов КБП может значительно варьироваться в зависимости от времени года, количества осадков, вида, фазы вегетации, возраста растения, свойств почвы. Управление состоянием микроэлементов в агроландшафтах тем эффективнее, чем более полны знания о геохимических особенностях их распределения и накопления в конкретных ландшафтно-экологических условиях.

Объектами исследования выбраны зональные почвы лесостепи (черноземы оподзоленные, темно-серые лесные) и сухой степи (темно-каштановые) в соответствии с современным почвенно-географическим районированием [6] (рисунок). Ключевые участки устанавливали в соответствии с методом почвенных агрохронорядов, основываясь на анализе истории хозяйственного освоения земель. Для этого были разработаны пространственно-временные модели территорий [5]. Отбор почвенных образцов осуществляли в 2009 и 2010 годах на плакорах и слабопокатых склонах (не более 3^○) с глубины 0-20 см (фиксируются основные изменения пахотного и гумусо-аккумулятивного горизонта). Для лесостепного полигона, где в большей степени исследовалась современная пашня разной длительности освоения, отбор почвенных образцов производили так же и с подпахотного слоя (20-40 см).

Полигон «Хотмыжский» выбран как участок с наибольшей продолжительностью аграрного освоения в лесостепной зоне на западе Центрального Черноземья. Он располагается в юго-западной части Среднерусской возвышенности на высоком правом берегу р. Ворскла (левый приток Днепра). Правый берег высоко поднимается над поймой реки и сильно изрезан овражно-балочной сетью. Почвообразующая порода - четвертичные лессовидные суглинки, которые достигают наибольшей мощности (10 м и более) на возвышенных плато. Преобладающие типы почв - серые, темно-серые и черноземы оподзоленные. Территория относится к южной части атлантико-континентальной климатической области на границе с континентальной. Средняя температура в июле составляет +20 °С, в январе - 8 °С. В Поворсклье к концу VIII - началу IX века появляются поселения славян (роменская культура), в начале XII века на месте поселка северян и пограничной крепости Переяславского княжества возникает древнерусский город Хотмысль. Проведенная ранее реконструкция древнего земледелия [5] позволила обнаружить достоверные различия в свойствах почв одного из реконструируемых участков [1].

Полигон «Ольвийский» располагается в сухостепной зоне на правом берегу Бугского лимана в 5 км к югу от древнегреческого города-полиса Ольвия, у Крестовой балки. Рельеф представляет собой плоскую лессовую равнину, расчлененную оврагами и балками в узкой (не более 2 км) прибрежной зоне. Климат засушливый, среднегодовая температура 9,9 °С. Здесь, на темно-каштановых солонцеватых почвах в сочетании с луговыми солончаками и глеесолодями подов, в сельской округе Ольвии античные землепашцы выращивали, по-видимому, в основном зерновые культуры [4]. У Крестовой балки находились два поселения архаического времени (VI-III вв. до н.э.), и многослойное поселение эллинистического и римского времени (конца I в. до н.э. - середины III в. н.э.) с керамическим материалом XII-XIII вв. [4]. Таким образом, продолжительность сельскохозяйственной деятельности античного времени на этом полигоне можно оценить в 600 лет по датировкам обнаруженных здесь поселений.

Общее содержание элементов в почве определено по методике измерений массовой доли металлов и их оксидов в порошковых образцах почв методом рентген-флуоресцентного анализа на приборе «СПЕКТРОСКАН-МАКС-GV». Установлены массовые доли 18 макро- и микроэлементов для почв лесостепного и степного участков. Коэффициент аккумуляции определяли как отношение содержания каждого элемента в почве и почвообразующей породе. По полученным значениям этого коэффициента были построены ряды накопления элементов и рассчитаны ранговые корреляции Спирмена в программе Statistica 6.0.

Различные геохимические коэффициенты - отношения макро- и микроэлементов - позволяют обнаруживать изменения в свойствах различных почв [10]. Коэффициент накопления микроэлементов Шоу (традиционно определяется как среднеарифметическое) был модифицирован и рассчитывался как среднее геометрическое значение отношений содержания каждого микроэлемента (Mn, Zn, Cu, Ti, Ni, Cr, V) в почве и почвообразующей породе (R). Рассчитан модифицированный показатель соотношения кремнезема и полуторных оксидов (SiO₂:(10·R₂O₃)) и коэффициент элювиирования (Кэ) (без учета натрия) в почвах и почвообразующих породах, который предложено [9] определять по формуле: Кэ = SiO₂:(RO + R₂O).

Ряды накопления на лесостепном полигоне имеют следующие различия в зависимости от угодий и длительности агрогенеза. Нагорная дубрава: Cu > Co > MnO > As > > Sr > TiO₂ > V > Pb > K₂O > SiO₂ > Cr > 1 >
> Al₂O₃ > Zn > Fe₂O₃ > P₂O₅ > CaO > Ni >
> MgO. Огородная почва:

а) 6-ти лет обработки - MnO > Cu > > P₂O₅ > Co > CaO > Sr > As > Pb > Zn >
> MgO > Ni > TiO₂ > V > Fe₂O₃ > K₂O >
> Cr > SiO₂ > 1 ≥ Al₂O₃;

б) окультуренная в IX-XII веке, активно используемая с середины XVII века, побывавшая в залежи 80 лет и возобновленная 8 лет назад - Cu > MnO > P₂O₅ > CaO >
> Sr > Zn > Co > Pb > As > MgO > Ni >
> K₂O > Fe₂O₃ > TiO₂ > V > 1 > SiO₂ >
> Cr > Al₂O₃;

в) окультуренная в IX-XII вв., активно используемая с середины XVII в. - Cu > MnO > Co >> Pb > As > Sr > P₂O₅ >
> Zn > CaO > V > Ni > TiO₂ > Fe₂O₃ >
> K₂O > Cr > Al₂O₃ > 1 > SiO₂ > MgO. Пашня (в среднем): MnO > Cu > Co > As > Pb > > Sr > Ni ≥ TiO₂ ≥ V > Fe₂O₃ > Zn > CaO >
> K₂O > Al₂O₃ > P₂O₅ > Cr > SiO₂ > 1 > MgO.

С ростом периода освоения отмечается уменьшение содержания фосфора и увеличение содержания меди, свинца, мышьяка, цинка. Накопление этих элементов характерно для черноземов и лесных почв по сравнению с другими типами почв [3], по-видимому, агрогенная обработка усиливает этот эффект. На пашне цинк накапливается менее активно, чем в огородной почве.

Почвы Ольвийского полигона так же различаются по распределению макро- и микроэлементов в ряду агрогенных трансформаций. Накопление элементов по отношению к почвообразующей породе на целине: As >> MnO > K₂O > Fe₂O₃ > Zn >
> SiO₂ > Rb > Cr > TiO₂ > Al₂O₃ > Pb > V >
> P₂O₅ > 1 > Ni > Na₂O > Cu > Sr > Co >
> MgO > GaO. Ряды накопления элементов залежи:

а) постантичной - As >> MnO > Fe₂O₃ >
> SiO₂ > Zn > K₂O > Rb > TiO₂ > Cr >
> Pb > V > Al₂O₃ > 1 > Ni > P₂O₅ > Na₂O >
> Cu > Sr > MgO > Co > GaO;

б) пятилетней залежи с предшествующим периодом обработки в 35-45 лет - As >> MnO > K₂O > Zn > SiO₂ > Fe₂O₃ > Rb >
> Al₂O₃ > TiO₂ > Cr > 1 > V > P₂O₅ > Na₂O >
> Ni > Pb > Cu > Sr > MgO > Co > GaO;

в) пятилетней залежи, входившей в зону античного межевания, повторно распаханной в 50-60-е гг. XIX века, два десятилетия эксплуатируемая под виноградниками - As >> MnO > Fe₂O₃ > Zn > SiO₂ > K₂O >
> Rb > Al₂O₃ > Pb > TiO₂ > Cr > V > Ni >
> 1 > Na₂O > P₂O₅ > Cu > Sr > MgO > Co >
> GaO.

Ряд накопления элементов пашни, входившей в зону античного земледелия: As >> MnO > Fe₂O₃ > Zn > K₂O > SiO₂ >
> Rb > Al₂O₃ > V > TiO₂ > Cr > Pb > Ni >
> 1 > Na₂O > P₂O₅ > Cu > Sr > MgO > Co >
> GaO.

Таким образом, фосфор накапливается только на целине, уже в постантичной залежи его содержание ниже, чем в почвообразующей породе на 15-23 %. Свинец же начинает накапливаться более активно в обрабатываемых почвах. С увеличением периода агрогенеза этот тренд сохраняется: на молодой залежи и пашне, находящихся в ареале античного межевания, позиция фосфора в ряду накопления идет за натрием. Молодая залежь, входившая в зону античного межевания, отличается накоплением свинца и никеля. Это же характерно и для современной пашни. Кроме того, в пашне и молодой залежи концентрация мышьяка на 30-60 % выше по сравнению с целиной.

Полученные результаты дают основание предположить антропогенный характер вклада в аккумуляцию и рассеяние перечисленных элементов. Существующие представления о поступлении химических элементов в почву из средств химизации сельского хозяйства подтверждают это предположение: в навозе и фосфорных удобрениях наиболее существенное по набору и концентрации содержание примесей. Химические средства защиты минерального и органоминерального состава содержат высокотоксичные металлы: ртуть, свинец, мышьяк, медь и висмут, а также фтор, бор, олово и цинк. В средствах защиты растений в зависимости от наименования препарата может содержаться 20-60 % мышьяка (парижская зелень, протарс, арсениты натрия и кальция, арсенат кальция, мышьяковый ангидрид), до 60 % свинца [3].

Анализ ранговых корреляций для степного полигона выявляет более тесную связь между объектами хроноряда и меньшую дифференциацию по содержанию элементов, чем в лесостепной зоне. Для лесостепного полигона отмечается большее накопление элементов (по отношению к материнской породе), чем на степном участке. Это объясняется активным накоплением элементов в гумусо-аккумулятивном горизонте лесостепных почв (биогеохимический барьер) и слабой латеральной дифференциацией сорбированных и валовых форм микроэлементов, за исключением участвующих в биогенной и гидрогенной аккумуляции. По Н.С. Касимову, в сухостепных почвах происходит выветривание силикатных пород, а за счет степного почвообразования и селективного биогенного поглощения происходит мобилизация элементов и комплексообразователей. Щелочная среда (рН = 7,57) повышает доступность и вынос этих, в целом слабо подвижных элементов.

Геохимические коэффициенты, иллюстрирующие процессы почвообразования верхних горизонтов исследуемых полигонов на микроэлементном уровне, представлены в табл. 1 и 2.

В лесостепной зоне почва с наибольшей продолжительностью обработки в верхнем горизонте обеднена оксидами магния, марганца, кальция, калия. При этом залежный режим в течение 80 лет не восстанавливает баланс полностью. В целом, коэффициент элювиирования на пашне до 2 раз превышает показатель в огородной почве, причем длительно обрабатываемая огородная почва по соотношению содержания оксидов к кремнезему ближе к пашне, что указывает на более интенсивный вынос основных почвенных катионов. В степной зоне Кэ на целине ниже, чем на почвах, в той или иной степени подвергшихся сельскохозяйственной нагрузке.

Примечания: Кэ - коэффициент элювиирования; SiO₂: (10R₂O₃) - соотношение кремнезема и полуторных оксидов, характеризующее внутрипочвенное выветривание; G - свободная энергия Гиббса, Дж/гК; S - энтропия, Дж/гК.; R - коэффициент накопления микроэлементов.

Накопление полуторных оксидов по слоям 0-20 и 20-40 см варьируется незначительно как по горизонтам, так и по агрогенным рангам. На степном полигоне содержание полуторных оксидов по соотношению к кремнезему убывает в ряду почвообразующая порода > пашня > молодая залежь > постантичная залежь > целина. С увеличением сельскохозяйственной обработки SiO₂/Al₂O₃ убывает в ряду целина > постантичная залежь > молодая залежь > пашня.

Энергетические коэффициенты (Гиббса и энтропии) не проявили индикационных различий в агрогенном ряду.

Коэффициент окисления почвенного материала ((Fe₂O₃ + MnO)/Al₂O₃) в лесостепи выше, чем в степи на 27 %. При этом на лесостепном полигоне в гумусо-аккумулятивном слое прослеживается тенденция снижения коэффициента с увеличением длительности и интенсивности (огородная почва и пашня) использования, которая требует дальнейшего изучения. Так на лесостепном участке коэффициент окисления почвенного материала для огородной почвы на 25-45 % выше, чем в почвообразующей породе; на 70-100-летней пашне - на 24-39 %, 150-300-летней пашне - на 18-30 %, на наиболее древней пашне разница с почвообразующей породой достигает 18 %.

В результате проведенного исследования обнаружено несколько закономерностей в изменении валового химического состава лесостепных и степных почв, подвергшихся длительному сельскохозяйственному освоению.

1. Для почв лесостепи и степи характерно снижение содержания фосфора в ряду целина > залежь > пашня, что объясняется высоким коэффициентом биологического поглощения, составляющим 88 по отношению к почве [3] и выносом элемента из агроландшафта вместе с сельскохозяйственной продукцией. Перераспределение фосфора и большинства микроэлементов в лесостепи на пашне, в верхнем горизонте не обнаруживает четкой зависимости от длительности распашки.
2. В сухостепной зоне дифференциация разновозрастных залежей, пашни и целины выражена через более интенсивное накопление свинца и мышьяка. По нашему мнению, накопление этих элементов в агроландшафте связано с использованием средств химизации при сельскохозяйственной обработке культур.
3. Выветривание основных катионов, выносимых в почвенный раствор, увеличивается по мере увеличения длительности землепользования. Так, коэффициент элювиирования в степной зоне для целины ниже, чем у почв, подвергшихся антропогенному преобразованию. В лесостепной зоне огородная почва наиболее длительного освоения по содержанию оксидов приближается к значениям на пашне, что указывает на более интенсивный вследствие большей продолжительности освоения вынос основных почвенных катионов. Элювиирование в пахотном горизонте протекает активнее, чем в подпахотном.

• Чернявских В.И., д.с.-х.н., зам. генерального директора ЗАО «Краснояружская зерновая компания», Белгородская область, п. Чернянка;
• Смирнова Л.Г., д.б.н., профессор, зав. лабораторией адаптивного растениеводства Белгородского НИИСХ Россельхозакадемии, г. Белгород.

Работа поступила в редакцию 13.01.2012.