Водопроницаемость почвы, которая в основном определяется ее механическим составом, структурным состоянием, плотностью и пористостью [8, 10, 9], является важным свойством, влияющим на процессы выщелачивания растворенных веществ, перемещения и отложения продуктов выветривания и почвообразования [7]. От нее зависит характер впитывания и накопления воды, что в значительной степени определяет запасы почвенной влаги, которые чрезвычайно важны в условиях степного Зауралья Республики Башкортостан с неустойчивым увлажнением [5, 12].
Сельскохозяйственное освоение почв, длительное и интенсивное их использование могут привести к ухудшению фильтрационных свойств, что объясняется изменением структурного состояния, соотношения твердой и газовой фаз вследствие набухания гидрофильных почвенных коллоидов, плотности и пористости и т.д. [6, 2]. Это в свою очередь может привести к заплыванию верхнего слоя почвы [4,14], увеличению поверхностного стока, вызывающего развитие водной эрозии.
Для устойчивого функционирования почвенных экосистем нежелательным является как излишне высокая, так и низкая водопроницаемость. При излишней и провальной водопроницаемости почва обладает низкой водоудерживающей способностью, высокой испаряющей способностью, при низкой – создается опасность образования поверхностного стока, способствующего развитию водной эрозии. Поэтому оптимизация водно-физических свойств, в том числе и улучшение водопроницаемости, представляет собой одну из наиболее важных задач в области почвенной экологии.
Черноземы степного Зауралья Республики Башкортостан имеют тяжелый механический состав и характеризуются хорошей водопроницаемостью. Однако в данном регионе на огромных площадях сельскохозяйственных угодий почвы характеризуются значительной степенью деградации: ухудшением структурного состояния, уплотнением, снижением водопроницаемости, поверхностным смывом и др. Эффективным способом восстановления свойств почв степных экосистем является создание агростепей по методу Д.С. Дзыбова [11]. Метод основан на залужении почв семенами видов флоры в том соотношении, как они сложились в исходном ценозе (модели). Вопросы, связанные с изменениями растительных сообществ в агростепях в условиях Зауралья РБ, ранее подробно изучены М.Р. Абдуллиным [1, 11]. Создание агростепи и восстановление в ней естественной растительности сопровождается улучшением структурно-агрегатного состояния почти до уровня целинной почвы, что достигается благодаря оструктуривающему воздействию гумуса, способствующего склеиванию и агрегированию пылеватых частиц в макроагрегаты. Формирование обильной корневой системы растений, ценной и водопрочной структуры приводит к разуплотнению и восстановлению естественной плотности сложения и оптимизации пористости [11, 13].
Нами была проанализирована динамика восстановления водопроницаемости почв под агростепями в полевых опытах, заложенных к.б.н. М.Р. Абдуллиным на эродированной пашне и на вытоптанном пастбище. Изменения свойств почв исследовались в агростепях возраста от 8 до 18 лет.
Материалы и методы исследования
Опыт 1. Заложен с целью изучения восстановления почвы эродированной пашни. Схема опыта включала следующие варианты:
- Целина.
- Пашня.
- Агростепь.
Эталонный участок представлял богаторазнотравно-ковыльную степь.
Опыт 2. Заложен с целью изучения восстановления почв деградированных пастбищ на разных фонах удобрений и механической обработки дернины на выбитом пастбище с видовым богатством 30 шт. на 100 м2, которое было вспахано в 50-е годы прошлого столетия и заброшено из-за сильной каменистости почвы. Схема опыта:
- Целина (абсолютный контроль).
- Деградированное пастбище (контроль с вытоптанным травостоем).
- Агростепь на фоне дискования дернины в 2 следа на глубину 8–10 см.
- Агростепь на фоне дискования дернины «дочерна» (4 раза) на глубину 8–10 см.
- Агростепь на фоне отвальной вспашки с дискованием.
Абсолютный контроль (целина) представлял собой почву с достаточно хорошо сохранившимся травостоем разнотравно-ковыльной степи при умеренном выпасе, в составе которого 75 видов на 100 м2. На опытных вариантах (2–4), которые изучались на неудобренном и удобренном (N60Р60) фонах, рассевалась сено-семенная смесь, заготовленная из целинного (эталонного) участка в 2 срока: 5 августа после созревания семян злаков и 15 августа после созревания семян бобовых и разнотравья. После рассева производилось прикатывание тяжелым катком. На целине и деградированном пастбище после закладки опытов была прекращена всякая хозяйственная деятельность и установлен относительный «заповедный» режим.
Результаты исследования и их обсуждение
Для экологической оценки водопроницаемости почв с тяжелым механическим составом применяли шкалу, предложенную Н.А. Качинским.
Таблица 1
Оценка водопроницаемости почвы по шкале Н.А. Качинского
|
Водопроницаемость в первый час впитывания, мм/ч |
Оценка водопроницаемости |
|
Свыше 1000 |
Провальная |
|
1000–500 |
Излишне высокая |
|
500–100 |
Наилучшая |
|
100–70 |
Хорошая |
|
70–30 |
Удовлетворительная |
|
Менее 30 |
Неудовлетворительная |
Данная шкала позволяет оценить водопроницаемость почв по данным первого часа наблюдений. Однако методика определения скорости фильтрации с поверхности предполагает наблюдение водопроницаемости до установления постоянной скорости, для чего требуется обычно 5–6 часов. В связи с этим для оценки водопроницаемости по данным фазы фильтрации весьма удобной является шкала, предложенная Ф.Ш. Гарифуллиным [3].
Таблица 2
Оценка водопроницаемости почвы по шкале Ф.Ш. Гарифуллина
|
Водопроницаемость, мм/мин |
Оценка почвы по водопроницаемости |
|
Менее 0,5 |
Низкая |
|
0,5–1,0 |
Удовлетворительная |
|
1,0–2,0 |
Хорошая |
|
Более 2,0 |
Высокая |
Определение водопроницаемости почвы в опыте 1 методом заливных площадок с поверхности показало, что скорость фильтрации воды через почву пахотного участка значительно ниже, чем на целине (рис. 1). Если целинная почва имеет в начальные стадии «высокую» водопроницаемость, переходящую на 5–6-е часы определения в категорию «хорошая», то на пашне она значительно ниже с самого начала определения и после 2-го часа наблюдений скорость фильтрации снижается до категории «удовлетворительная». На 5–6-е часы определения по скорости фильтрации пахотная почва уступает целинному аналогу более чем на 1 мм/мин.
Рис. 1. Влияние агростепи на водопроницаемость почвы (опыт 1). Пунктирами показаны границы оценки водопроницаемости по Ф.Ш. Гарифуллину: выше а (> 2 мм/мин) – высокая, а–б (1–2 мм/мин) – хорошая, ниже б (< 1 мм/мин) – удовлетворительная
Как и следовало ожидать, в агростепи происходило повышение водопроницаемости деградированной пахотной почвы. Так, характер фильтрации воды через почву в первые 3 часа практически не отличался от таковой целинной почвы. В дальнейшем она несколько отставала, что объясняется меньшей водопрочностью структуры, уступающей целинной почве. Обобщая сказанное, можно заключить, что агростепь, созданная на деградированной пашне, благодаря мощному развитию фитомассы, как надземной, так и подземной, способствовала оструктуриванию, разуплотнению и улучшению фильтрационных свойств почвы почти до уровня целинной почвы.
Агростепи в опыте 2 также способствовали оптимизации водопоглотительной способности почвы: восстановление естественной степной растительности, формирование большого количества подземной массы, повышение содержания гумуса, оптимизация структуры и сложения почвы – все это нашло отражение и в повышении водопроницаемости (рис. 2). Так, водопроницаемость почвы деградированного пастбища (контроль) даже после 10-летнего заповедования на фоне без внесения удобрений значительно ниже показателей целинной почвы. Ее значения находятся по шкале Ф.Ш. Гарифуллина на уровне нижней границы категории водопроницаемости «хорошая». Судя по положительным изменениям агрофизических свойств на контроле при внесении удобрений, можно предположить, что в исходном состоянии водопроницаемость почвы на этом участке была гораздо ниже и увеличилась в связи с заповедованием.
На всех вариантах агростепей, как и предполагалось, произошло значительное улучшение фильтрационных свойств почвы. Наилучшая скорость фильтрации, почти достигающая уровня целинной почвы, отмечена на варианте с 4-кратным дискованием дернины, что объясняется улучшением общих физических свойств почвы.
Ненамного ниже водопроницаемость почвы в агростепи, созданной на фоне 2-кратного дискования, затем – на фоне вспашки с дискованием. Заметим, что характер динамики скорости фильтрации на целине аналогичен водопроницаемости целинной почвы опытного участка 1.
Из рис. 2, очевидно, что удобрения способствовали повышению фильтрационных свойств почвы на всех вариантах, включая контроль. По шкале Гарифуллина водопроницаемость оценивается как «хорошая». Следует при этом отметить, что на удобренном фоне почва агростепей варианта с 2-кратным дискованием дернины имеет показатели, близкие к целине, а вариант с 4-кратным дискованием по водопроницаемости даже превосходит целину, что объясняется значительным повышением водопрочности структуры и пористости почвы.
Рис. 2. Влияние разных вариантов агростепей и удобрений на водопроницаемость почвы (опыт 2). Пунктирами показаны границы оценки водопроницаемости по Ф.Ш. Гарифуллину: выше а (> 2 мм/мин) – высокая, а–б (1–2 мм/мин) – хорошая, ниже б (< 1 мм/мин) – удовлетворительная. Варианты агростепи: Д2 – дискование в 2 следа, Д4 – дискование в 4 следа, В + Д – вспашка с дискованием
Заключение
Обобщая изложенное, можно сказать, что агростепи благодаря относительно быстрому восстановлению травостоя из естественных сообществ, хорошему оструктуриванию и оптимизации сложения, способствовали улучшению фильтрационных свойств почвы. Это дает основание утверждать, что ввиду оптимизации агрофизических параметров плодородия, в том числе и водопроницаемости, создание агростепей можно считать не только одним из ускоренных методов восстановления степных растительных сообществ и деградированных почв, но и эффективным способом борьбы с эрозией.
Работа выполнена при поддержке гранта Республики Башкортостан молодым ученым и молодежным научным коллективам 2013 г.
Рецензенты:
Янтурин С.И., д.б.н., профессор, заведующий кафедрой экологии, ФГБОУ ВПО «Сибайский институт» (филиал) БашГУ, г. Сибай;
Суюндукова М.Б., д.б.н., профессор кафедры ботаники, ФГБОУ ВПО «Сибайский институт» (филиал) БашГУ, г. Сибай.
Работа поступила в редакцию 30.12.2013.