27 марта 2016г.
Введение. Стратегия управления агроландшафтами Центрального Черноземья определяется формированием экологически устойчивых структур (В.М. Косолапов и др, 2015). В настоящее время разработана концепция и предлагаются различные методологические подходы адаптивно-ландшафтного обустройства сравнительно больших территорий (зон). Защитные лесные полосы и насаждения рассматриваются в качестве первоосновы, формирующей экологический каркас ландшафтного земледелия (В.И. Кирюшин, 2011; К.Н. Кулик и др.,2004).
В 1899 году В.В. Докучаев установил зональные закономерности изменений климата, ландшафта и почвообразования. При этом считал, что чернозем – … «есть зеркало, яркое и вполне правдивое отражение … векового взаимодействия между водой, воздухом и землей» (В.В. Докучаев, 1899).
В проекте опытных работ, проводимых в Каменной Степи под общим руководством В.В. Докучаева, первостепенная роль отводилась лесным насаждениям и регулированию вод (П.Ф. Бараков, 1914). Одновременно «Особой Экспедицией» был оборудован первый наблюдательный колодец, создана метеорологическая станция и сеть дождемеров, что позволило непрерывно, начиная с 1893 года, контролировать и изучать изменчивость климата.
Внедренные в Каменной Степи лесные полосы располагались на небольшой водораздельной территории (около 600 га), параллельными рядами в двух пересекающихся направлениях, что позволило в короткий срок создать более устойчивый гидротермический режим среды, выявить защитную и мелиоративную роль лесных полос, влияние изменений климата на почву (Г.М. Тумин, 1930).
Каменная Степь стала показательным модельным объектом, отражающим специфику устойчивого функционирования регулируемых экологических систем (агроэкосистем), целенаправленно созданных человеком.
В связи с этим остаются актуальными вопросы изучения динамики пространственной и временной изменчивости гидротермических условий, в том числе влияния атмосферных осадков на содержание отдельных макро- и микроэлементов в почве и воде.
Материал и методы. Для анализа использовали данные многолетних гидрометеорологических наблюдений (материалы гидрогеологического отряда и гидрометобсерватории «Каменная Степь»), полевых опытов и экспериментальных исследований в условиях искусственного климата (теплицах фитотрона размером 6,3 х 40 м, общей площадью 1000 м2).
Анализы проводили по общепринятым методикам. В почвенных образцах определяли: гумус (по Тюрину), подвижный фосфор и обменный калий (по Чирикову), обменный кальций и магний (комплексометрически).
Компьютерная обработка данных на IBM PC Pentium IV с использованием статистического пакета Microsoft Excel 2007.
Результаты. Анализ данных за весь 120 летний период наблюдений показал, что сезонная изменчивость климата не определяется среднегодовыми показателями температуры воздуха и суммы выпадающих осадков. Установлена отрицательная обратная связь (r = - 0,62) среднегодовых значений температуры воздуха и суммы осадков в теплый период (май-август). Достоверные различия в другие периоды года не всегда выявлялись, что указывает на необходимость учета температурных градиентов, пороговых значений температур воздуха и почвы, частоты выпадения осадков, испаряемости, капиллярного подъема влаги и др. Возможно именно здесь заложены адаптивные механизмы формирования структурной и функциональной устойчивости агроэкосистем.
В Каменной Степи, начиная с 1933-1957 гг., отмечается тенденция увеличения температуры и количества осадков. Каждый последующий 25 летний период сопровождался увеличением среднемноголетних показателей температуры (с 5,4 до 5,9 и 6,6оС) и количества осадков (с 430 до 510 и 515мм). За прошедшие 50 лет среднегодовая температура воздуха возросла на 1,2оС, сумма осадков на 85 мм. В последние десятилетия увеличивалась амплитуда и диапазон колебаний температур, влажности почвы и воздуха, как по годам, так и периодам года.
Трендовая модель среднегодовых значений уровня грунтовых вод (УГВ) с высокой достоверностью (R2 = 0,71) отражает цикличность и основные тенденции изменений климата (Рисунок 1).
Последействие таких изменений отразилось в колебании УГВ (максимальный подъемом до 2,8 м в 1993 г. и резкое понижение в засушливые годы, следующие один за другим 1997, 1998, 1999) и проявилось в ионно-солевом составе воды. Катионный состав воды по-прежнему характеризовался высоким содержанием натрия Na+ (300-350), низким - магния Mg2+ и кальция Ca2+ (4-15мг/дм3). Однако вода стала более минерализованной (до 1,2 г/дм3) за счет увеличение содержания сульфата анионов SO42- и карбоната CO32- (до 540 и 110 мг/дм3 соответственно), что изменило расположение ионов в убывающих рядах: HCO32- > Na+ > SO42- (1986-1993 гг.), SO42- > HCO32- > Na+ (1999-2004 гг.).
В воде водохранилища преобладающими также были анионы SO42- (393) и гидрокарбоната HCO32-(293), а из катионов – ионы Na+ (198 мг/дм3). Однако реакция экосистемы водохранилища на изменившиеся гидротермические условия была обратной: положительной по Na+ и Mg2+ (содержание увеличилось в 1,4 и 2,3 раза) и отрицательной по содержанию Ca2+(уменьшилось в 2,6 раза).
Резкие колебания температуры воздуха и почвы, неравномерное выпадение осадков и другие факторы увеличили естественные вариации влаги и питательных элементов в почве до 40-60%. Такие колебания, кроме вышеперечисленных причин, отражают сложные процессы, происходящие в черноземах как в живом природном теле.
В условиях искусственного климата при интенсивном использовании грунтовых теплиц (1980-1993гг.) в варианте без замены почвы (контроль) достаточно высокий первоначальный уровень минерального питания (N-NO3 – 40-70, P2O5 – 200-260, K2O – 140-200 мг/кг) снизился до фоновых полевых показателей (NO3 – 15-30, P2O5 – 80-120, K2O – 100-160 мг/кг почвы).
Внесение цеолита месторождения «Сокирница» (Закарпатская область) стабилизировало кислотность на уровне рН 6,4 ед., содержание отдельных макро- и микроэлементов в почве (Табл.1).
Показатели устойчивости почвенной
среды в условиях искусственного климата
Таблица 1
|
Вариант
|
рН
|
гумус
|
мг-экв./100 г
|
Микроэлементы мг/кг
почвы
|
|
Ca2+
|
Mg2+
|
Zn2+
|
Cu2+
|
Ni2+
|
Cd2+
|
Pb2+
|
|
Чернозем (контроль)
|
6,7
|
5,5
|
27,5
|
4,2
|
4,0
|
0,7
|
2,0
|
0,3
|
1,5
|
|
Чернозем + цеолит
|
6,4
|
5,3
|
25,7
|
2,7
|
2,0
|
1,2
|
2,2
|
0,4
|
1,5
|
|
Замена + удобрения
|
6,7
|
5,6
|
26,4
|
2,4
|
7,0
|
1,5
|
3,9
|
3,0
|
1,8
|
|
ПДК
|
|
23
|
3,0
|
4,0
|
1,0
|
6,0
|
Регуляторное действие цеолита
в почвенной среде проявилось в более существенном увеличении калия (К2О 180-200), чем фосфора (Р2О5 160-180 мг/кг почвы), что может быть связано с его лучшей ионообменной и сорбционной способностью, избирательной к ионам калия.
В варианте с заменой верхнего слоя почвы (30-40 см) и внесением
повышенных доз органических удобрений, как правило, превалировало увеличение фосфора
Р2О5 (400-500 мг/кг почвы). Весьма вероятно токсичное воздействие на почву увеличенной концентрации наиболее токсичных
тяжелых металлов, таких как кадмий и никель.
Несмотря на интенсивное антропогенно-техногенное воздействие, частые поливы,
изоляцию от атмосферных осадков
и грунтовых вод (кольцевой дренаж
на глубине 5,0-5,5
м) содержание гумуса в почве теплиц сохранялось на уровне полевых
показателей.
Выводы. В Каменной Степи основными солеобразующими компонентами вод являются
анионы SO 2- и гидрокарбоната HCO 2- , а из катионов
– ионы натрия Na+. Подземные воды на водораздельной территории, приуроченные к первому водоупорному пласту, отличаются непостоянством уровня и ионно-солевого состава, капиллярно проникая в верхние
горизонты, могут приводить к вторичному засолению почвы.
Переувлажнение в дождливые сезоны и недостаток естественных осадков лимитируют экологическое равновесие
атмосферы и почвенной
среды.
В неблагоприятных и экстремальных условиях внешней
среды чернозем обыкновенный обладает буферностью, обеспечивает саморегуляцию и устойчивость агроэкосистем. Применение цеолитов совместно
с органическими и минеральными удобрениями может стабилизировать содержание макро- и микроэлементов в почве.
Список литературы
1.
Бараков П.Ф. Краткая
справка о задачах
и деятельности бывшей
Особой Экспедиции Лесного Департамента под начальством проф.
В.В. Докучаева. // Труды Каменно-степной опытной станции
им. В.В. Докучаева (Воронежской губ., Бобровскаго уезда). – Вып. I. – Саратов. – 1914. – С. 6-10.
2.
Докучаев В.В. Къ ученiю о зонахъ природы. Горизонтальныя и вертикальныя почвенныя зоны. – С.- Петербургъ. – 1899.
– 28 с.
3.
Кирюшин В.И. Теория адаптивно-ландшфтного земледелия и проектирование агроландшафтов. – М.: Колос – 2011. – 444 с.
4.
Косолапов В.М.,
Трофимов
И.А.,
Трофимова
Л.С., Яковлева Е.П. Агроландшафты
Центрального Черноземья. Районирование и управление. – М.: Издательский Дом «Наука».
– 2015. – 198 с.
5.
Кулик К.Н., Барабанов Ф.Т.,
Гаршинев Е.А., Рулев
А.С. Концепция адаптивно-ландшафтного обустройства территории Волгоградской области.
// Вестник РАСХН. –
2004. – №1. – С. 53-57.
6.
Тумин Г.М. Влияние
лесных полос на почву в Каменной степи. – Воронеж, Изд-во «Коммуна». – 1930. – 40 с.
