Агрономический факультет

Кафедра агроэкологии, агрохимии, почвоведения

ДИПЛОМНАЯ РАБОТА

СРАВНИТЕЛЬНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ПАХОТНОГО И ЦЕЛИННОГО ЧЕРНОЗЕМА ВЫЩЕЛОЧЕННОГО

Дипломник

Руководитель работы

Консультанты:

Экономика

Безопасность жизнедеятельности:

Охрана труда

Охрана природы

Допуск к защите

Зав. кафедрой

Декан факультета

РЕФЕРАТ

Дипломная работа на тему: Сравнительная характеристика пахотного и целинного чернозема выщелоченного.

Работа содержит 62 страницы машинописного текста, 6 таблиц, 3 рисунка, 3 приложения, 7 выводов и 7 предложений производству. Список используемой литературы - 31 источник.

Тема исследования посвящена структурному состоянию чернозема выщелоченного в пашне и на целине. Определялись степень структурности, содержание почвенных агрегатов и их соотношение.

В результате двухлетних исследований установлено, что структурное состояние целинных земель хорошее, пашни удовлетворительное. На степень структурности значительное влияние оказывает содержание агрегатов более 10 мм.

Для повышения плодородия и улучшения агрофизических свойств необходимо увеличивать содержание агрономически ценной структуры.

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

1 Литературный обзор

1.1 Органические вещества и их значение в формировании водопрочной структуры почвы

1.2 Роль различных органических веществ в формировании водопрочных агрегатов почвы

1.3 Объекты исследования, методы выделения и характеристика водопрочных агрегатов почвы

2 Характеристика места и условий работы

2.1 Почвенно-климатические условия

2.2 Методика и условия проведения опыта

3 Результаты исследований

3.1 Структурный анализ чернозема выщелоченного на целинных землях и в пашне

3.2 Содержание агрономически ценной структуры чернозема выщелоченного в пашне и на целинных землях

4 Безопасность жизнедеятельности

4.1 Охрана труда

4.1.1 Общее положение

4.1.2 Охрана труда при выполнении дипломной работы

4.2 Охрана природы

Предложения производству

Список литературы

Приложения

Введение

Почва - это самостоятельное природное тело, образовавшееся в результате изменения верхней части земной коры при длительном и совместном воздействии растительных и животных организмов и микроорганизмов, климата, рельефа, а также производственной деятельности человека. (Лыков А.П., Коротков А.А, Баздырев Г.И., Сафонов А.Ф., 1990)

Почва является полидисперсным и пористым телом. Ее твердая часть состоит из части различного размера - механических элементов или почвенной структуры. Качественная оценка структуры определяется ее размером, пористостью, механической прочностью и водопрочностью. Наиболее агрономически енными являются макроагрегаты размером 0,25 - 10 мм, обладающие высокой пористостью (> 45 %), механической прочностью и водопрочностью. Такая структура, придавая почве рыхлое сложение, облегчает прорастание семян и распространение корней растений, а также уменьшает энергетические затраты на механическую обработку почвы (Кауричев И.С.,1982)

Агрономическое значение структуры заключается в том, что она оказывает положительное влияние на агрофизические свойства почвы - пористость и плотность сложения, противоэрозионную устойчивость, а также водный, воздушный, тепловой, окислительно-восстановительный, микробиологический и питательный режимы почв.

Механические элементы почвы могут находиться в раздельно-частичном (бесструктурном) состоянии или в виде структурных отдельностей (агрегатов). Структурной считается почва, содержащая более 55 % водопрочных агрегатов. Важно, чтобы структурные отдельности пахотных горизонтов не разрушались при увлажнении почвы и при механическом воздействии сельскохозяйственных машин и орудий. (Ковриго В. П., Кауричев И.С., Бурлакова Л.М., 2000).

Земли, отведенные под возделывание сельскохозяйственных культур, ежегодно подвергаются механической обработке, в результате чего почва деградирует.

Деградация почв и в целом почвенного покрова - явление многоплановое и многофактурное, обусловленное как природными, так и, в основном, антропогенными факторами. (Почвовед., 1999, 9 с 1126-1131).

Под деградацией физического состояния почв понимается устойчивое ухудшение их физических свойств, в первую очередь, структурного состояния и сложения, приводящее к ухудшению водного, воздушного, питательного режимов и в конечном итоге - к снижению плодородия. (П.,2000, 9; с. 1106 - 1113). Поэтому проблема структурного состояния пахотного горизонта чернозема выщелоченного является актуальной.

Работа проводилась в 2000 2001 годах. Место исследований - целинные земли и опытное поле института Агроэкологии.

Целью исследований являлось определение структурного состава чернозема выщелоченного на ежегодно обрабатываемых землях и под покровом естественной многолетней травянистой растительности.

В задачи исследования входило:

1. Определение структурного состава в пахотном горизонте ежегодно обрабатываемых земель.

2. Определение структурного состава в пахотном горизонте под покровом естественной многолетней трвянистой растительности.

3. Провести статическую обработку данных.

4. Проанализировать полученные результаты и дать им оценку.

1 Литературный обзор

Одним из важных мероприятий в области повышения плодородия почвы является постоянное улучшение физических, физико-химических и биологических свойств почвы, что может быть достигнуто улучшением ее структурного состояния. В создании хорошей структуры большое значение имеют различные факторы: гумусовые вещества, состав минералов, поглощенные основания почвы. Все почвенные процессы находятся в тесном взаимодействии и в прямой зависимости от физического состояния почвы. Важнейшим фактором, определяющим это состояние, является степень оструктуренности почвы.

Корифей русской агрономии и почвоведения П. А. Костычев (1892) обратил внимание на структуру чернозема. По его мнению, наиболее благоприятным следует считать такой чернозем, у которого пахотный слой состоит из мелких комков. При этом состоянии вода легко проникает между отдельными комками и нижние, более плотные слои почти не высыхают. П. А. Костычев первый предложил деление структуры почвы на водопрочную агрономически ценную и водопрочную. Агрономически ценная структура почвы должна быть зернистой с мелкокомковатым строением, прочной и устойчивой по отношению к размывающему действию воды.

В. В. Докучаев (1892, 1899,1901) в классических работах о черноземе писал, что структура почвы создает благоприятные условия для аэрации почвы и передвижению влаги в нижние горизонты. Он особенно высоко ценил зерни структуру и был противником ее распыления.

Интересные исследования структуры почвы были проведены А. Г. Дояренко (1921, 1924, 1925 и др.). Он показал, что соотношение капиллярных и некапиллярных промежутков в структурной почве предопределяет характер развития главнейших физических. Химических и биологических процессов.

В. Р. Вильямс (1940) утверждал, что плодородие почвы заключается в одновременном и непрерывном удовлетворении зеленых растений необходимыми количествами воды и пищи. Максимального выражения элементы плодородия, вода и пища, достигают только при водопрочной структуре почвы. Структура почвы - это тот фон земледелия, на который накладываются все другие агротехнические мероприятия в растениеводстве: обработка, удобрение, полив и т. д.

К. К. Гедройц (1926) писал, что структурность почвы - один из самых важных моментов, определяющих величину создаваемой почвой растительной массы.

Н. А. Качинский (1933) представляет значение структуры почвы следующим образом. Структурная почва рыхлая, легко водо- и воздухопроницаема и обладает высокой влагоемкостью. Вода и воздух без затруднения проходят в такой почве по некапиллярным ходам между комками. Часть воды прочно удерживается в капиллярах комков, а избыток ее, если он есть стекает по некапиллярным ходам; накопленная структурой почвой вода длительно удерживается в ней. Структурная почва, будучи достаточно снабжена водой и воздухом, обеспечивает благоприятные условия для развития растений.

Впервые сущность и значение почвенной структуры были раскрыты Шумахером (1874), который дал удивительный по глубине анализ этого свойства почвы. Он впервые употребил в современном значении слово структура и дал ей морфологическую характеристику. По мнению В. Шумахера, соотношение капиллярных и некапиллярных промежутков в почве определяет сущность ее структуры.

Вольни (1897-1898) писал, что структура является мощным регулятором водного и воздушного режимов и тем самым определяет характер развития растений. Раманн (1888) считал, что зернистая структура - важнейшее физическое условие, необходимое для нормального развития растений. По мнению Митчерлиха (1923) почвы беструктурные вообще представляют малую ценность для наших культурных растений. Огромное значение придавал структуре Рассел (1927). Он писал, что почва в хорошем рыхлом состоянии обладает зернистой структурой, весьма благоприятной для развития растений, и, наоборот, вязкая глинистая почва совершенно непригодна для развития растений.

Приведенные выше мнения различных исследователей свидетельствуют о важнейшей роли структуры почвы как фактора плодородия. Поэтому одним из агротехнических мероприятий, направленных на повышение производительности сельскохозяйственного производства, является систематическое улучшение структурного состояния почвы.

«Понятие о почвенной структуре и факторы ее формирования».

Термин «агрегат» означает присоединение Элементные частицы или микроагрегаты присоединяются благодаря химическому, физико-химическому и механическому взаимодействию. Эти виды связи в основном и определяют прочность агрегатов почвы. Прочность служит основным критерием установления агрономической ценности той или иной группы агрегатов.

В. Р. Вильямс (1937) считал, что структурный комок почв представляет простые уплотненные и прочно склеенные перегноем отдельности почвенной массы. К. К. Гедройц (1926) называет структурной способностью почвенной массы распадаться на комки или агрегаты различной величены, которые представляют комплексы механических элементов, склеенных между собой с большей или меньшей прочностью. Н. А. Качинский (1958), как и В. Р. Вильямс, считает, что агрономически ценная структура должна быть мелкокомковатой и зернистой с агрегатами диаметром 1-10 мм, механически прочной и водопрочной, что обуславливает длительное сохранение структуры при обработке почвы и после искусственного ее увлажнения. Автор считает, что в природе имеются почвы с ореховатыми или зернистыми водопрочными агрегатами, но они характеризуются отрицательным физическим режимом и, следовательно, в агрономическом отношение менее ценны. К таким почвам относятся солонцы, слитые черноземы и некоторые другие почвы.

Структура почвы классифицируется следующим образом:

Глыбистая часть почвы: крупные глыбы > 10 см

средние глыбы 3-10 см

мелкие глыбы 1-3 см

Комковатая часть почвы: крупные комки 3-10 мм

средние комки 1-3 мм

мелкие комки 0,5-1 мм

зернистые элементы 0,25-0,5 мм

Распыленная часть почвы: микроструктурные элементы 0,01-0,25 мм

пылевато-глинистые частицы < 0,01 мм

Различные агрегаты только тогда являются показателем степени физического состояния почвы, когда они способны противостоять разрушающему действию воды. Это свойство почвенных агрегатов В. Р. Вильямс называл водопрочностью. Она обуславливается физико-химической связью минеральной и органической частей почвы. Различают водопрочность истинную, или безусловную (Пигулевский, 1936), и ложную (Тюлин, 1928). Почвенные агрегаты характеризуются истинной водопрочностью, если они в воздушно-сухом состоянии при быстром погружении в воду не теряют формы и не разрушаются. Ложный агрегат этими свойствами не обладает.

Раманн (1890) считает, что образование структуры почвы обусловлено физико-химическими причинами. Формирование агрегатов происходит под влиянием растворимых солей, подобно осаждению глины от прибавления солей. Наиболее сильной осаждающей способностью обладают соединения кальция, затем магния и калия, последние место занимают натриевые соли. П. А. Костычев (1892) писал, что глина и перегнойные вещества играют роль цемента, связывающего механические элементы.

По мнению К. К. Гедройца, для образования водопрочной структуры почвы исключительно большое значение имеют поглощенные основания. Он писал, что структурообразователей надо искать в почвенном поглощающем комплексе, свойства которого, обуславливаемые в первую очередь составом его поглощенных катионов, являются решающими в отношении величены и характера прочности структуры. В образовании агрегатов почвы К. К. Гедройц придавал большое значение органическим веществам. Он считал, что органическая часть почвенно-поглощающего комплекса наиболее высокодисперсная и поэтому играет особо важную роль в процессах структурообразования почвы.

Согласно рассмотренным взглядам, ведущая роль в формировании водопрочной структуры почвы принадлежит в основном гумусовым веществам, глинистым минералам и поглощенным катионам (Хан Д.В., 1965).

1.1 Органические вещества и их значение в формировании водопрочной структуры почвы

Главный запас органических веществ в почве представлен соединениями специальной природы - собственно гумусовыми веществами, которые образуются из растительных и животных остатков, а также продуктов жизнедеятельности микроорганизмов. Содержание гуминовых веществ в почве составляет сравнительно не большой процент от ее веса. Несмотря на то, что большинство почв малогумусных, влияние гумусовых веществ на почвообразование и плодородие почвы исключительно велико.

Образование почвенной структуры может быть обусловлено различными силами. Чаще всего оно вызвано склеиванием частиц и микроагрегатов набухающих в воде периферийными оболочками частиц и последующим высыханием. Своим возникновением структура обязана всем процессам, вызывающим неравномерные объемные изменения в почвенной массе, - увлажнению и высыханию, замерзанию и оттаиванию почвы и др. Существенную роль в расчленении почвенной массы на структурные отдельности играют корневые системы растений, действие почвенной фауны, механическая обработка почвы и другие факторы.

Зависимость между общим содержанием гумусовых веществ и количеством водопрочных агрегатов в почве.

Отечественными и зарубежными учеными была предпринята попытка установить зависимость количества водопрочных агрегатов от содержания в почве гумусовых веществ и на этой основе показать значение гумусовых веществ в формировании водопрочной структуры. А. И. Набоких (1914), Ф. Ю. Гельцер (1940), финский ученый Хейнонен (1955) и ряд других зарубежных ученых (Baver, 1935; Rogers, 1939…) проводили исследования, но полученные ими данные не позволяют говорить о какой-либо определенной связи между количеством микроагрегатов и содержанием в них перегнойных веществ. Это обстоятельство послужило основанием заключить, что в образовании водопрочных почвенных агрегатов решающую роль играет не только количественное содержание гумуса, сколько его качественный состав (Качинский).

1.2 Роль различных органических веществ в формировании водопрочных агрегатов почвы

В формировании водопрочных агрегатов могут принимать участие различные компоненты, составляющие органическое вещество почвы: органические соединения неспецифической природы (полисахариды, полиурониды, слизистые вещества микробного происхождения, белковые вещества, битумы, смолы, лигнин), а также собственно гумусовые вещества - гуминовые кислоты и фульвокислоты.

При проведении ряда опытов с органическими соединениями неспецифической природы с: полисахаридами (гемицеллюлоза), полиуронидами, слизистыми веществами микробного происхождения, белковыми веществами, группами битумов, смол, восков и других органических соединений извлекаемых смесью спирта и бензола было выявлено, что они не играют заметной роли в формировании водопрочных агрегатов почвы.

Гуминовые кислоты и фульвокислоты.

И. В. Тюрин (1937) считал, что в процессе цементации макроструктурных агрегатов почвы главная роль принадлежит свежеобразованным гуминовым веществам, которые, кроме того, должны обладать и значительной устойчивостью к разложению, что является необходимым условием большей или меньшей прочности образующейся структуры.

И. Н. Антипов-Каратаев и И. А. Хаинский (1935) на основании косвенных наблюдений считали, что в структурообразовании участвуют молекулярно растворимые формы гуминовой и ульминовой кислот.

По мнению Н. А. Качинского и его соавторов (1950), структурные комки образуются при участии гуминовой и ульминовой кислот. Такие агрегаты почвы механически прочны и, что особенно важно, обладают водопрочностью, поэтому они длительное время могут противостоять размывающему действию воды.

Робинсон и Пейдж (1951) изучали стойкость агрегатов при удалении гумусовых веществ перекисью водорода. Оказалось, что по мере окисления гумусовых веществ агрегаты почвы теряли устойчивость и разрушались. На этом основании авторы сделали вывод, что гумусовые вещества цементируют почвенные частицы в агрегаты.

Одной из характерных особенностей гуминовых кислот и фульвокислот является их хорошая растворимость в щелочных растворах. Используя это свойства, И. Н. Антипов-Каратаев с соавторами (1948), А. Б. Рубашов (1949), В. В. Келлерман (1959) исследовали влияние гумусовых веществ на структуру почвы, наблюдая за распадом водопрочных агрегатов при непосредственном извлечении из них гуминовых кислот, фульвокислот и других органических веществ 0,1 н. раствором NaOH.

Удаление перегнойных веществ щелочным раствором вызывает сильное разрушение водопрочных агрегатов почвы. Это особенно резко проявилось на почвах Кура-Араксинской низменности, где агрегаты почти полностью распались. Количество фракций <0,25 мм в результате распада исходных водоустойчивых агрегатов достигло 70-80%. Несколько другая картина наблюдалась в черноземе. Исходные агрегаты распались полностью, но на более крупные фракции. Все это дает основания утверждать, что ведущая роль в образовании водопрочных агрегатов почвы играют именно перегнойные вещества типа гуминовых кислот и фульвокислот, так как они извлекаются совместно щелочным раствором.

А. В. Рубашов (1949) методом А. Ф. Тюлина (1928)выделил водопрочные агрегаты различного размера и пытался установить количественные закономерности содержания в них рыхлосвязанной гуминовой кислоты и фульвокислот. Однако устойчивой зависимости обнаружено не было. К такому же результату пришел С. А. Владыченский (1939).

И. Н. Антипов-Каратаев с сотрудниками (1948) и В. В. Келлерман (1959) изучали влияние гуминовых кислот и фульвокислот на образование водопрочных агрегатов в почвах различных типов.

Аналогичные исследования были проведены польскими учеными Бирецким и Гастолом (1961). Они подтвердили, что исследуемые агрегаты почвы как по общему содержанию, так и по содержанию гуминовых кислот и фульвокислот, независимо от вариантов опыта, не отличаются друг от друга. Но эти материалы не дают еще возможности установить, какая из фракций принимает участие в формировании водопрочной структуры почвы.

Японские ученые Егава и Секидо (1956) пытались выяснить влияние гуминовых кислот и фульвокислот на образование водопрочных агрегатов почвы размером 2,5-1 и 0,1 мм. Оказалось, что в агрегатах почвы размером 0,1 мм наблюдалась определенная тенденция увеличения фульвокислот, тогда как в агрегатох почвы размером 2,5-1,0 мм преобладали гуминовые кислоты. Это послужило основанием заключить, что гуминовые кислоты более эффективно действуют на образование агрегатов почвы, чем фульвокислоты.

Подтверждением этого может служить сравнение водопрочных агрегатов чернозема и подзолистой почвы. Агрегаты этих двух почв резко отличаются и по своей прочности и по качественному составу гумусовых веществ. Агрегаты чернозема содержат в 2-3 раза больше гуминовой кислоты по сравнению с агрегатами подзолистой почвы.

Д. В. Хан описывает свои опыты так. Нами было взято около двух грамм водоустойчивых агрегатов размером 3-1 мм, выделенных из чернозема и подзолистой почвы; их обработали буферным раствором КН₂РО₄+NaНРО₄, имеющим рН 5. Особенность этого раствора состоит в том, что он позволяет извлекать, по нашим наблюдениям, только фульвокислоты, не затрагивая гуминовых кислот. Извлечение проводилось в течение, примерно, 15 дней. Контролем, служили водоустойчивые агрегаты почвы той же величены, обработанные дистиллированной водой. Результаты показали, что удаление фульвокислот из водопрочных агрегатов чернозема в количестве 8% и из подзолистой почвы до 17% от общего содержания гумусовых веществ не вызывало никакого разрушения агрегатов. Фульвокислоты непрочно закрепляются на поверхности глинистых минералов группы монтмориллонита, и оказалось, что около 40% адсорбируемых кислот извлекается дистиллированной водой. Все это дает основание считать гуминовые кислоты наиболее активной частью гумусовых веществ почвы при образовании водопрочных агрегатов.

К 1969 году накопилось много экспериментальных данных, подтверждающих неоднородность гуминовых кислот почвы. Впервые на это обратил внимание А. А. Шмук (1924). Он пришел к выводу, что гуминовая кислота почвы обладает коллоидными свойствами и находится в двух модификациях: А- коллоиднорастворимая в воде, Е- нерастворимая.

По химическому составу обе формы гуминовых кислот близки. Однако по внешнему виду растворимая гуминовая кислота А резко отличается от нерастворимой гуминовой кислоты Е. Первая представляет собой блестящие черные жирные частички с раковистым изломом; вторая - сероватого оттенка с матовой поверхностью без раковистого излома.

Л. Н. Александрова (1949) при помощи водного диализа разделила гуминовую кислоту из чернозема на три фракции различающиеся по элементарному составу; они также характеризуются различной емкостью поглощения и разной устойчивостью к коагулирующему действию электролитов.

М. М. Кононова (1960) при помощи хроматографического метода и электрофреза показала, что гуминовые кислоты и фульвокислоты, выделенные из дерново-подзолистой почвы и чернозема, неоднородны. О неоднородности гумусовых веществ свидетельствуют работы <1 мк. Затем из нее были извлечены щелочью две фракции гумусовых веществ: до и после декольцирования.

Полученные донные показывают, что 1 и 2 фракции гуминовых кислот заметно различаются по химическому и групповому составу. Во всех случаях содержание углерода в первой фракции меньше, чем во второй. Обратная зависимость наблюдается по содержанию азота.

1.3 Объекты исследования, методы выделения и характеристика водопрочных агрегатов почвы

Для выделения водопрочных агрегатов почвы Д. В. Хан использовал видоизмененный метод Н. И. Саввинова (1931). По этому варианту метода мокрому просеиванию подвергается несмешанная навеска почвы, состоящая из различних фракций, а каждая фракция в отдельности.

Такой прием был испытан на тучном черноземе Курской области и серой лесной глубокооподзоленной почве Тульской области. В полученных агрегатах определяли общее содержание гумусовых веществ по методу Кнопа. Во всех водоустойчивых почвенных агрегатах, полученных в результате распада исходных сухих фракций почвы, обнаруживается общая закономерность. Она выражается в том, что общее содержание гумусовых веществ по мере уменьшения диаметра водоустойчивый агрегатов неизменно снижается.

Наименьшее количество гумусовых веществ отмечено во фракциях диаметром < 0,25 мм. Водоустойчивые агрегаты почвы даже одинакового диаметра, но полученные из исходных сухих агрегатов различного размера, содержат разное количество гумусовых веществ.

Описанный прием выделения водопрочных агрегатов почвы и характеристики их свойств по содержанию гумусовых веществ был использован Д. В. Ханом в дальнейшем. Для детального изучения были выбраны сухие агрегаты только одного размера, а именно 3-1 мм, так как, по мнению В. Р. Вильямса, Н. А. Качинского и других исследователей, структурные отдельности величиной от 1 до 3-5 мм наиболее ценны в агрономическом отношении. Кроме того, исследования Н. И. Саввинова (1931) показали, что водопрочные агрегаты почвы диаметром 3-1 мм преобладают над остальными фракциями (> 0,25 мм) и являются типичными.

При водной обработке сухих агрегатов 3-1 мм появились водоустойчивые агрегаты диаметром 1-0,5; 0,5-0,25; < 0,25 мм и остаток не распавшихся агрегатов 3-1 мм. Все эти фракции в отдельности после предварительного удаления растительных остатков были растерты и пропущены через сито с отверстиями диаметром 0,25 мм. Внешне особенно сильно различались фракции 3-1 и 0,25 мм. Растертые агрегаты размером 3-1 мм имели коричневую окраску, в то время как фракции <0,25 мм темно-серую. Между отдельными фракциями также были обнаружены различия, но они не были выражены так сильно. Поэтому более детальному исследованию подверглись две названые фракции. В дальнейшем фракцию диаметром < 0,25 мм назовем неводоустойчивой или распыленной (контроль) и будем сравнивать с остальными водоустойчивыми агрегатами, в частности с агрегатами размером 3-1 мм. Содержание гумусовых веществ в водоустойчивых агрегатах определяли методом Кнопа, общий азот - методом Кьельдаля.

Гумусовые вещества в исследуемых агрегатах почвы распределяются вполне закономерно: по мере уменьшения величены агрегатов, во всех исследуемых типов почв содержание гумусовых веществ неизменно падает. Наименьшее количество гумусовых веществ обнаружено в неводоустойчивых или распыленных фракциях < 0,25 мм. Наиболее резко различаются по содержанию гумуса и азота агрегаты размером 3-1 мм, сохранившиеся после водной обработки, и агрегаты фракций < 0,25 мм, причем первые содержат значительно больше гумуса и азота по сравнению с распыленными фракциями. Это дает некоторое основание утверждать, что количественное содержание гумусовых веществ имеет определенное значение для водопрочных агрегатов почвы. Помимо верхних горизонтов исследованию подверглись, водоустойчивые агрегата тех же размеров, выделенные из нижних горизонтов почв. И в этом случае наблюдается та же закономерность, которая установлена для водоустойчивых агрегатов верхних горизонтов. Из этого следует, что в формировании водоустойчивых агрегатов почвы различных размеров активную роль играют гумусовые вещества.

Рассмотрим теперь влияние состава гумусовых веществ на образование водопрочной структуры почвы.

По ряду химических и физико-химических свойств гуминовые кислоты по сравнению с фульвокислотами обладают более высокой реакционной способностью, поэтому являются активным клеящим веществом. Согласно данным многих ученных (Шмук, 1930; Тюрин, 1949; Александрова, 1949; Конова, 1960; Хан, 1959 и др.), гуминовые кислоты, выделенные из почвы, не являются однородным веществом и представляют собой группу высокомолекулярных азотсодержащих соединений с рядом общих признаков. В связи с этим возникает принципиальный вопрос о том, какие фракции гумусовых веществ принимают непосредственное участие в формировании водопрочной структуры почвы. В. Р. Вильямс еще в 1897 г. указал, что перегнойные вещества лишь определенного качества способны создавать прочные агрегаты почвы. К такому же мнению пришла Ф. Ю. Гельцер (1940), когда получила данные, показывающие отсутствие связи между содержанием гумусовых веществ и количеством водопрочных агрегатов в исходной форме. Аналогичные результаты получил Д. В. Хан.

Во всех используемых почвах не наблюдается количественной зависимости между содержанием гумусовых веществ и количеством агрегатов. Поэтому общее содержание гумусовых веществ в исходных почвах не может служить надежным критерием для характеристики степени их агрегатности. Убедительным подтверждением могут служить чернозем и серая лесная почва.

Эти две почвы весьма существенно различаются по содержанию гумусовых веществ и агрегатов. Чернозем содержит значительно больше гумусовых веществ, однако количество агрегатов < 0,25 мм в нем оказалось гораздо меньше. В этом отношении заслуживает внимания также подзолистая почва. По количеству водопрочных агрегатов > 0,25 мм она не сильно отличается от чернозема, хотя последний значительно богаче гумусовыми веществами.

Из сказанного следует, что попытка установить зависимость количества агрегатов от общего содержания гумусовых веществ в почве не дает положительных результатов, хотя позволяет сделать вывод о том, что не все количество гумуса почвы участвует в формировании водопрочных агрегатов. Хан высчитал, примерно, относительное количество той фракции гумусовых веществ, которая принимает участие в формировании водопрочных макроагрегатов почвы. Оно вычислено путем сопоставления количества гумусовых веществ, содержащихся в неводоустойчивых фракциях < 0,25 мм и в водоустойчивых агрегатов размером 3-1 мм. При этом содержание гумусовых веществ в неводоустойчивых фракциях размером < 0,25 мм было принято за исходную величину, характеризующую неактивную часть гумусовых веществ. Вычитая ее из количества гумусовых веществ, содержащихся в водопрочных агрегатах получены данные характеризующие активную часть гумуса.

Таким образом, гумусовые вещества почвы расчленены на две фракции, которые, вероятно, выполняют различные функции в процессе формирования водопрочной структуры почвы. Если это так, то эти две фракции гумусовых веществ должны отличаться одна от другой по ряду показателей. Для выяснения этого были исследованы гуминовые кислоты из агрегатов обладающих различной устойчивостью к размывающему действию воды. Исследованию подверглись водопрочные агрегаты диаметром 3-1 мм и неводоустойчивые фракции <0,25 мм.

Препараты гуминовых кислот из водоустойчивых агрегатов почвы отличались от препаратов гуминовых кислот, содержащихся в неводоустойчивых фракциях, более темной окраской. Для качественной характеристики гуминовых кислот был определен их элементарный состав. Содержание углерода оказалось более высоким в гуминовых кислотах, выделенных из распыленных, или неводоустойчивых, фракций, чем в гуминовых кислотах из водоустойчивых фракций. Эта закономерность наблюдается во всех исследованных типов почв. В содержании водорода, азота и кислорода наблюдается обратная картина: эти элементы обнаружены в больших количествах в гуминовых кислотах водоустойчивых агрегатов. Гуминовые кислоты распыленных фракций характеризуюся более широким отношением С:Н по сравнению с гуминовыми кислотами водоустойчивых агрегатов. Принято считать, что соотношение С:Н служит показателем степени конденсированности ядра гуминовой кислоты. Если исходить из этого показателя, то гуминовые кислоты, выделенные из распыленных фракций, являются более конденсировавнными, так как колебание отношения С:Н зависит от соотношения ядра и боковых цепей в молекулах гуминовых кислот.

Одним из важнейших свойств гуминовой кислоты является ее высокая реакционная способность, обусловленная карбоксильными группами. Эти функциональные группы, вероятно, играют важную роль в формировании водопрочной структуры почвы.

Проведенные исследования Д. В. Ханом по методу С. С. Драгунова показали,что суммарное содержание функциональных групп в гуминовых кислотах неводоустойчивых фракций оказались выше, чем в тех же кислотах, выделенных из водоустойчивых агрегатов 3-1 мм. В гуминовых кислотах водоустойчивых агрегатов карбоксильных групп содержащихся примерно в два раза больше, чем фенольных гидроксилов.

Наблюдаются различия природы гуминовых кислот в том, что оптическая плотность гуминовых кислот неводоустойчивых фракций выше, чем плотность гуминовых кислот водоустойчивых агрегатов.

Результаты сравнительного исследования гуминовых кислот, выделенных из различных фракций почвы, позволяют заключить следующее.

Гуминовые кислоты из водопрочных агрегатов почвы размером 3-1 мм содержат меньше углерода, больше азота, водорода,менее интенсивно поглощают свет и имеют более узкое соотношение С:Н по сравнению с гуминовыми кислотами, выделенные из распыленных фракций размером < 0,25 мм. На основании этих показателей считают, что гуминовые кислоты из водопрочных агрегатов более молодые, чем гуминовые кислоты, полученные из распыленных фракций. Кроме того, гуминовые кислоты из водопрочных агрегатов почвы отличаются относительно несколько повышенным содержанием карбоксильных групп, что имеет большое значение при образовании водопрочной структуры почвы. Считается (Кротова, 1956), что присутствие в полимерных соединениях функциональных групп, особенно карбоксильных, резко повышает адгезию клея к различным твердым поверхностям. Этой причиной Хан объясняет положительное влияние гуминовых кислот на образование водоустойчивых почвенных агрегатов.

Водопрочные агрегаты различаются и по агрохимическим свойствам. Первая попытка определить опытным путем влияние агрегатного состава почвы на развитие растений и урожай сельскохозяйственных культур принадлежит Вольни (1897/1998). Он сравнивал свойства растертых и не растертых агрегатов на фоне минеральных и органических удобрений. Аналогичные исследования проведены В. В. Красниковым (1928). Полученные им данные показали, что не растертые агрегаты почвы благоприятно действовали на развитие растений. Довольно обширные исследования в этом направлении предпринял А. И. Ахромейко (1930). Для изучения влияния агрегатного состава почвы на рост и развитие растений он применил тот же принцип, который был использован упомянутыми выше авторами, и пришел к заключению, что для развития растений важна микроструктура, а не макроструктура почвы. Таким образом, он отрицает выводы Е. Вольни,В. В. Квасникова и других авторов о том, что макроструктура создает лучшие условия для развития растений, чем распыленная фракция почвы. Но данные опыты позволяют выяснить главным образом влияние на развитие растений физических свойств, создаваемых изучаемых фракциями почвы.

Четкие сведения об агрохимических свойствах агрегатов были получены Д. В. Ханом. Он попытался выявить некоторые агрохимические свойства водопрочных почвенных агрегатов и неводоустойчивых фракций и определить их влияние на развитие растений. Объектами для постановки опытов послужили водопрочные агрегаты 3-1 мм и распыленные фракции < 0,25 мм из различных типов почв. В этих агрегатах почв определено содержание гумуса, азота и подвижной фосфорной кислоты.

По основным агрохимическим показателям исследуемые фракции заметно различаются между собой. В водоустойчивых агрегатах почв содержится больше гумусовых веществ, азота и фосфорной кислоты, чем в распыленных фракциях. Повышенное количество азота и фосфорной кислоты в основном объясняется более высоким содержанием гумуса, что особенно резко проявилось в подзолистой (<0,25 мм - 1,55%; 3-1 мм - 2,81% гумуса), серой лесной (<0,25 мм - 3,31%; 3-1 мм - 5,37% гумуса) и сероземной (<0,25 мм - 2%; 3-1 мм - 5,37% гумуса) почвах. В этих почвах водоустойчивые агрегаты содержат значительно больше гумусовых веществ, чем распыленные фракции.

Далее в вегетационных опытах изучалось развитие ячменя на фракциях 3-1 и 0,25 мм, которые были выделены из черноземной, подзолистой, серой лесной и сероземной почв. При этом агрегаты размером 3-1 мм предварительно разрушали и удаляли из них крупные растительные корешки, после чего агрегаты были растерты и пропущены через сито с ячейками диаметром 0,25 мм. Приготовленные таким путем две растертые фракции каждого типа почвы закладывались в стеклянные сосуды объемом 400 см³. Повторность вегетационных опытов была двукратной. Никаких дополнительных, питательных элементов в сосуды не вносилось.

Влажность в сосудах поддерживалось на уровне 60% от полной влагоемкости почвы. По окончанию опыта, продолжавшегося 1,5 месяца, учтены вес сухой массы растений и вынос азота, причем показатели для распыленных фракций размером < 0,25 мм приняты за 100% (контроль). Урожайные данные позволяют отметить общую закономерность лучшего развития ячменя на растертых водоустойчивых агрегатов размером 3-1 мм, независимо от типа почв. Наилучшее развитие ячменя наблюдалось в сосудах с растертыми водоустойчивыми агрегатами, выделенными из сероземной почвы Средней Азии; далее следует серая лесная и подзолистая почвы, последнее место занимает чернозем. По содержанию гумусовых веществ и питательных элементов в агрономическом отношении наиболее ценны водопрочные агрегаты почвы размером 3-1 мм. В меньшей степени этими свойствами обладают водопрочные агрегаты размером 1-0,5 и 0,5- 0,25 мм.

2 Характеристика места и условий работы

2.1 Почвенно-климатические условия

Челябинская область в силу географического расположения вдоль Уральского хребта обладает четко выраженной природной зональностью. Более 75% территории области находится в лесостепном и степном Зауралье и около 25% - в горном Урале.

Климат на территории области континентальный, характеризуется холодной и продолжительной зимой с частыми метелями, теплым летом с периодически повторяющимися засушливыми периодами. По основным агроклиматическим показателям на территории Челябинской области выделяют четыре зоны: горно-лесная увлажненная, северная и южная лесостепи и степная засушливая.

Северная лесостепная зона Челябинской области - это Зауральская холмистая равнина, куда входят Аргаяшский, Каслинский, Красноармейский, Кунашакский, Сосновский, Уйский и Чебаркульский административные районы.

Климат характеризуется умеренно теплым вегетационным периодом. Сумма эффективных температур выше десятиградусного уровня составляет, в среднем 1800-2000 С. Этот период продолжается 120-125 дней - с 9-10 мая до 15-12 сентября. Однако безморозный период заметно короче - 50-70 дней, а на почве температура без заморозков бывает 90-105 дней.

Осадков за период вегетации растений выпадает в пределах 200-250 мм. Влагозапасы в метровом слое к моменту посева зерновых культур бывают, как правило, достаточны-140-170 мм. Гидротермический коэффициент (по Селянинову) в весенне-летний период составляет 1,0-1,4. Поэтому северная лесостепь Челябинской области - одна из наиболее благоприятных для развития земледелия. Все сорта основных зерновых кормовых и овощных культур здесь обеспечены теплом и влагой, что дает возможность иметь высокопродуктивное полевое и кормовое производство.

Устойчивый снежный покров устанавливается в середине ноября, достигает 30-40 см и сохраняется 100-150 дней. Он обеспечивает благоприятные условия перезимовки озимых культур.

Почвенный покров территории северной лесостепи Челябинской области определяется развитием дернового, солончаково-солонцового и подзолистого процессов почвообразования, поэтому для зоны характерно разнообразие почв. На всей территории преобладают черноземы выщелоченные. На них приходится 30,8 % пахотнопригодных земель, в том числе 54,8% пашни северной лесостепной зоны. Значительные площади почвенного покрова занимают лесные осолоделые почвы (соответственно 6%; 4,7 и 18,85%), меньшее распространение имеют черноземы обыкновенные и солонцеватые.

Черноземы выщелоченные - лучшие пахотные земли не только зоны, но и области. Они обладают достаточно мощным перегнойным горизонтом (30-50 см) с содержанием гумуса 6-9%. Реакция почвенного раствора слабокислая или близкая к нейтральной. Содержание доступного растениям фосфора в черноземах выщелоченных бывает, как правило, недостаточным для получения высоких урожаев (Козаченко А.П.,1999)

Черноземы выщелоченные являются преобладающими почвами северной и южной лесостепи Челябинской области, встречаются также в горнолесной и степной зонах. Поэтому у черноземов выщелоченных прослеживается различная степень развития иллювиального горизонта и глубина залегания карбонатов. Сильно выщелоченные черноземы по морфологическим признакам близки к темно-серым лесным и оподзоленным черноземам: четко видна кремнеземистая присыпка на границе гумусового и иллювиального горизонтов, хорошо обозначен иллювиальный горизонт, вскипание от соляной кислоты происходит на глубине 90-110 см.

Сильно выщелоченные черноземы встречаются на остепненных пространствах горно-лесной зоны и на облесенной северо-западной части лесостепи. Для большинства же северных и южных лесостепных районов области характерны черноземы средней и слабой степени вышелоченности, а на границе лесостепной и степной зон выщелоченные черноземы по морфологическим признакам приближаются к черноземам обыкновенным. Вскипание карбонатов от соляной кислоты постепенно приближается к гумусовому горизонту (В.Е. Абрамова, Л.К. Агафонов, В.В. Бледных и др., 1996).

Механический состав черноземов выщелоченных зависит от их генезиса, состава почвообразующих и подстилающих пород. На большей части территории Челябинской области они имеют суглинистый и глинистый механический состав, причем преобладают среднии и тяжелые суглинки, легкая и средняя глина, встречаются черноземы выщелоченные и легкого механического состава.

Лучшими физическими, физико-механическими и даже агрохимическими свойствами обладает суглинистая почва, хотя оптимальный механический состав для различных групп и видов неодинаков. Легкии по механическому составу почвы хорошо аэрируются, но обладают малой водоудерживающей способностью, Хуже противостоят засухе, водной эрозии и дефляции.

Черноземы выщелоченные Челябинской области характеризуются достаточно высоким содержанием пылеватой и илистой фракций, то есть частиц размером 0,01-0,001 мм и менее 0,001 мм, поэтому имеют преимущественно мелкопылевато-иловатый и иловато-пылеватый тяжелосуглинистый состав, но встречаются и разновидности иного гранулометрического состава. Например, в АОЗТ «Черноборское» Чесменского района почва (чернозем выщелоченный) в пахотном слое имеет крупнопылевато-мелкопесчанный тяжелосуглинистый состав, который в горизонте В сменялся на илавато-крупнопесчанный легкий суглинок и в горизонте СД и Д на среднепесчаную супесь. Естественно, что эти почвы имеют различные агрофизические и физико-химические характеристики.

Наиболее благоприятное для сельскохозяйственных культур сложение имеют тяжелосуглинистые и глинистые почвы. Равновесная объемная масса пахотного слоя этих почв колеблется в пределах 1,00-1,10 г/см³, что обеспечивает общую порозность биологически активного слоя 57-60%, следовательно, оптимальный водно-воздушный режим. Устойчивость сложения обусловлена высоким содержанием агрегатов более 0,25 мм.

Для выщелоченных черноземах характерна слабокислая реакция в пахотном горизонте. В черноземах северной лесостепной зоны на этом уровне она сохраняется до материнской породы или становится нейтральной в горизонтах ВС и С. В районах южной лесостепи черноземы выщелоченные даже в пахотном горизонте имеют значение рН водной и солевой вытяжки близкое к нейтральному, а в иллювиальном горизонте - нейтральное и даже слабощелочное из-за скопления там карбонатов.

Гидролитическая кислотность относительно емкости поглощения и суммы поглощенных оснований невелика. При емкости поглощения катионов 30-50 мг-экв/100 г гидролитическая кислотность в пахотном слое колеблется в пределах 3,0-3,8 мг-экв/100 г, поэтому степень насыщенности, как правило, превышает 85%. Вглубь по профилю она возрастает до 95-99%.

В составе поглощенных оснований преобладает кальций и магний. Соотношение катионов Са²⁺ и Мg²⁺ в пахотном слое колеблется от 4,9 до 5,1, то есть на кальций в составе поглощенных оснований приходится 80-85%. В абсолютных величинах это составляет 22,8-43,1 мг-экв/100 г почвы обменного кальция и 5,2-8,4 мг-экв/100 г почвы обменного магния. Резервы кальция как элемента питания у черноземов выщелоченных достаточно большое, содержание магния достаточное.

Отличительной особенностью черноземов Челябинской области является сравнительно высокое содержание гумуса. Оно в большинстве случаев превышает 6% в относительном исчислении и 150 т/га при определении запаса в пахотном слое 0-20 см.

Определение содержания и запаса азота подтверждает известную связь между количеством в почвах этого элемента и гумуса. Самое высокое содержание азота как и гумуса установлено в черноземах выщелоченных и черноземах обыкновенных. Со снижением содержания гумуса вниз по профилю почв следует соответственное снижение содержания азота.

В пахотном слое азота содержится 0,15-0,354%, или 5,08-9,56 т/га, одноко только 3,1-4,3 % этого количества приходится на легкогидролизуемую фракцию. Низкая гидролизуемость почвенного азота обусловлена особенностями его органических соединений в составе гумуса. В черноземах выщелоченных гумус имеет широкое соотношение С:N, которое характеризует качество гумуса и биологическую активность почв.

В пахотном слое глинистых, средне- и тяжелолосуглинистых выщелоченных черноземов соотношение С : N колеблется в пределах 11,6-22,9, что (по Гришиной и Орлову) свидетельствует об очень низкой обогащенности азотом.

С глубиной содержание гумуса снижается до нуля в материнской породе. Содержание азота также уменьшается вниз по профилю, но в меньшей степени, чем гумуса, поэтому соотношение С:N с глубиной уменьшается (снижается) до 7 и даже 3,7. Это объясняется миграцией наиболее азотистых фракций гумуса и накоплением необменно-фиксированного аммония. Поэтому гумус и азот в пахотном слое черноземов выщелоченных имеет очень низкую лабильность, малодоступны почвенным микроорганизмам и слабо влияют на режим минерального питания растений азотом. Однако, низколабильный гумус обеспечивает водопрочность почвенной структуры, более высокую устойчивость к эрозионным процессам.

Содержание валового фосфора отражает наличие в почве всех форм фосфатов, их минеральных и органических соединений различной степени подвижности - от легкорастворимых солей щелочных металлов и аммония до фосфатов кальция (магния) ,полуторных окислов, фитина, фосфатидов, нуклеинов, гумусовых кислоты выветрившихся минералов материнской породы. Содержание фосфора в почве зависит от содержания его в почвообразующей породе и процессов биологической аккумуляции в биологочески активных слоях почвы.

Запасы валового фосфора весьма велики - в пахотном слое 0,15-0,27 %, или 3,98-6,61 т/га. В тоже время содержание подвижного фосфора невелико. По отношению к валовому фосфору подвижные его фракции составляют 0,5-4,2%. Лишь маломощный выщелоченный чернозем АОЗТ «Черноборское» Чесменского района, развитый на обогащенной фосфором породе, имеет в пахотном слое повышенное содержание подвижных фосфатов.

Черноземы выщелоченные имеют среднюю и повышенную обеспеченность калием, если судить по содержанию его обменной фракции. В пахотном слое ее содержится от 93 до 155, в подпахотном 75- 138 мг на 1кг почвы. В поглощающем комплексе на долю обменного калия приходится 0,54-0,90%.

Основным поставщиком калия являются илистые фракции (Адерихин П. Т., Беляев А. В.), поэтому наиболее обеспечены калием черноземы выщелоченные тяжелосуглинистые и глинистые.

2.2 Методика и условия проведения опыта

Объектом наших исследований стал чернозем выщелоченный. Целью работы было определить структурное состояние целинных земель и пашни, сравнить степень структурности и содержание каждой агрономически ценной фракции. Определить причины, влияющие на количество и размер агрегатов.

Исследования проводились в мае 2000 года и в сентябре 2001 года. Местом отбора стали целинные земли, расположенные неподалеку от опытного поля и пашня - опытное поле ежегодно обрабатываемое на протяжении 86 лет. Почвенные пробы отбирались по диагонали поля, через каждые 10 метров в пахотном горизонте. Объем выборки составил 22 пробы, каждая массой 1000 грамм.

Для просушивания почву разместили тонким слоем на поверхности стеллажа, убрали камни, мусор и другие посторонние предметы. Крупные комки и глыбы во время сушки разделили на более мелкие по образующимся трещинам.

Агрегатный анализ почвенных проб проводился по методу Н. И. Саввинова (Н.С. Степанов, И.И. Костецкий, 1981). Воздушно-сухую пробу взвесили на технических весах и просеяли через колонку сит с размером отверстий 10;7;5;3;2;1;0,5 и 0,25 мм. Для этого перенесли образец почвы на верхнее сито, примерно, 100 г, закрыли крышкой и круговыми движениями просеивали в течение 1-2 мин.

Оставшиеся на каждом сите агрегаты взвесили с точностью до 0,1 г и рассчитали их процентное содержание к массе почвы, взятой для просеивания.

Фракцию меньше 0,25 мм вычислили по-разному, между общей массой пробы и массой фракции крупнее 0,25 мм.

Агрономически ценными считаются агрегаты размером от 0,25 мм до 10 мм. Структурность выражается в процентах и рассчитывается делением массы агрономически ценной структуры на массу всей навески и умноженное на сто.

Сухое просеивание почвы позволило определить удельную массу макроструктуры в пахотном горизонте целинных земель и пашни.

3 Результаты исследований

3.1 Структурный анализ чернозема выщелоченного на целинных землях и в пашне

Для того, чтобы определить тип почвы, степень структурности и другие агрофизические свойства, на пашне был заложен почвенный разрез.

Описание разреза.

Элемент рельефа - мезорельеф. Юго-восточный склон, пойма реки Миасс.

Угодье - пашня под посадку картофеля;

Растительность - отсутствует;

Почвообразующая порода, карбонаты -

Почвообразующая порода

находится на глубине более 1 м;

Карбонаты залегают с Вк 53-107/54;

Полевое определение почвы:

Тип: чернозем;

Подтип: выщелоченный;

Род: обычный;

Вид: среднегумусный (6,21%)

Разновидность: легкий суглинок;

Разряд: флювиогляциальные или водноледняковые отложения;

Влажность почвы: почва свежая на фильтровальной бумаге не оставляет влажных пятен;

Грунтовые воды не обнаружены;

Новообразования - белоглазка, мучнистая масса;

Признаки оглиения отсутствуют;

В почвенных горизонтах гипс не обнаружен;

Каменистость отсутствует - камней нет;

Описание почвенного профиля (рис. 1)

Апах 0-21/21 окраска - черный гумус; структура - комковато-зернистая; гранулометрический состав - легкий суглинок; влажность - почва свежая; корни и карбонаты не обнаружены; новообразований и включений нет; сложение плотное.

АВ 21-30/9 окраска - темно-серая; структура комковатая; влажность - почва свежая; корней, карбонатов, новообразований и включений нет, сложение плотное.

В 30-53/23 окраска бурая; структура комковато-зернистая; влажность почвы - свежая; корней, карбонатов, новообразований и включений нет, сложение плотное.

Вк 53-107/54 окраска светло-бурая; структура комковатая; корней нет; новообразований в виде белоглазки; карбонаты присутствуют - наблюдается сильное вскипание; включений нет; сложение плотное.

Структурность по горизонтам

Апах 0-21/21 структурность хорошая 65,58%

АВ 21-30/9 структурность удовлетворительная 52,4%