ПОЧВОВЕДЕНИЕ, 2004, № 3, с. 312-321
ФИЗИКА ПОЧВ
УДК 631.4
ВЛИЯНИЕ ОРГАНИЧЕСКОГО ВЕЩЕСТВА НА ВОДОУДЕРЖИВАЮЩУЮ СПОСОБНОСТЬ ПОЧВ*
© 2004 г. А. В. Смагин, Н. Б. Садовникова, Т. В. Назарова, А. Б. Кирюшова,
А. В. Машика, А. М. Еремина
Факультет почвоведения МГУ им. М.В. Ломоносова, 119899, Москва, Воробьевы горы
Поступила в редакцию 07.10.2002 г.
На основе оригинальных методических разработок исследуется влияние природных и синтетических биополимеров на водоудерживающую способность почв разного генезиса и дисперсности. В качестве базового показателя используется основная гидрофизическая характеристика почв (ОГХ). Проведен сравнительный анализ ОГХ различных генетических горизонтов, а также образцов почв до и после внесения (удаления) биополимеров в процессе лабораторных экспериментов и длительных полевых опытов. Выявлена тесная зависимость энергии водоудерживания от концентрации органического углерода в почвах. Показана возможность ухудшения физического состояния почв при их сельскохозяйственном использовании в условиях дефицитного углеродного бюджета.
ВВЕДЕНИЕ
Одной из приоритетных задач современного биофизического направления в почвоведении следует считать изучение воздействия организмов и продуктов их жизнедеятельности на физическое состояние почв [11]. Аккумуляция биополимеров как материальных носителей такого воздействия приводит к коренным изменениям физических свойств материнской породы (субстрата) в процессе почвообразования и окультуривания почв, заключающимся в оптимизации их структур, проницаемости, поглотительной и во-доудерживающей способности [6, 7, 10, 11, 14, 15, 17-20]. Вместе с тем при обратном процессе - деструкции органического вещества (ОВ) почв происходит неизбежная деградация их физического состояния, фиксируемая по ряду таких показателей, как уплотнение и слитизация, дезагрегация, потеря водопрочности структуры, ухудшение водоудерживания и способности почвы проводить влагу и газообразные вещества [1, 6, 18, 20]. Таким образом, соотношение скоростей аккумуляции и деструкции ОВ или кинетика его трансформации определяют длительную направленную динамику физического состояния почв, связанную с необратимыми изменениями твердофазных компонентов [10, 13]. Прогноз и реконструкция подобной динамики могут осуществляться на базе кинетических моделей трансформации и транслокации ОВ, разработка и анализ которых содержатся в наших публикациях [12, 19]. Для этого необходимо связать показатель содержания ОВ в почве (концентрацию, запасы) с базовой
*
Финансовая поддержка РФФИ, проект 02-04-48087, "Кинетика почвенных биофизических процессов".
характеристикой ее физического состояния. В качестве последней удобно использовать ОГХ, которая, будучи дополненной границами предельно равновесных (критических) состояний и диапазонов устойчивости почвенной физической системы, является диаграммой ее физического состояния [3, 13, 18]. Для экспериментального получения ОГХ в широком диапазоне варьирования влажности в наших работах предложено использовать инструментальный метод равновесного центрифугирования [16, 18]. Заметим, что значимое влияние ОВ на ОГХ выявляется на большом статистическом материале косвенным образом при анализе баз данных физических свойств и расчете педотрансферных функций [9, 21, 22]. Однако работ по непосредственной экспериментальной оценке этого влияния не так уже много [5, 8, 10, 15, 17, 18], из-за чего до сих пор окончательно не ясны механизмы воздействия ОВ на водоудерживающую способность и физическое состояние почв. Резюмируя, можно заключить, что, несмотря на всеобщее признание значимости, проблема влияния ОВ на водоудерживающую способность и физическое состояние почв на количественном уровне остается недостаточно исследованной. И в данной работе содержится попытка такого исследования на единой концептуальной и методической основе, изложенной в предшествующей публикации [13]. В связи с этим поставлены следующие практические задачи: 1) с помощью метода равновесного центрифугирования получить ОГХ почв различного генезиса, дисперсности и структурной организации; 2) провести сравнительный анализ ОГХ генетических горизонтов почв; 3) провести сравнительный анализ ОГХ образцов до и после удаления (внесения) ОВ в условиях лабораторного эксперимента;
4) исследовать изменения ОГХ почв в процессе их длительного сельскохозяйственного использования при различных культурах земледелия; 5) выявить связь энергии водоудерживания с содержанием ОВ в почве; 6) выявить влияние ОВ на поч-венно-гидрологические константы.
ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Для сравнительного анализа ОГХ были использованы насыпные образцы почв различного генезиса и дисперсности, представленные следующими типами:
1) Подзолистые и дерново-подзолистые легкого, среднего и тяжелого гранулометрического состава (Московская обл. (УОПЭЦ МГУ "Чашни-ково", Серебряноборское л-во, о. Лохин, Приокс-ко-террасный заповедник), Рязанская обл. (Белоомутское л-во), Коми (р. Мая), Карелия (зап. Кивач), Латвия (Мангальское л-во)).
2) Серые и бурые лесные легкого и среднего гранулометрического состава (Московская обл. (Серебряноборское л-во, о. Лохин), Тульская обл. (Тульские засеки), Владимирская обл. (Владимирский ниисх)).
3) Черноземы обыкновенные, выщелоченные, оподзоленные, типичные, слитые и лугово-чер-ноземные почвы среднего и тяжелого гранулометрического состава (Липецкая, Воронежская, Орловская, Курская обл., Краснодарский край, Украина (Харьковская обл.)).
4) Каштановые супесчаные и суглинистые (Волгоградская обл.).
5) Дерново-степные, дерново-боровые, дерно-во-глееватые, аллювиальные, ферраллитные песчаные и супесчаные (Волгоградская обл. (Арче-динский лесхоз, Обливская ОПХ), Ростовская обл. (ст. Вешенская, Сев. Донец), Оренбургская обл. (Бузулукский бор), Читинская обл. (р. Онон), Якутия (р. Тюньга, о. Миэхебия), Бурятия (Оно-хойская оп. ст., Кяхта), Украина (Харьковская обл., Песковское л-во; Нижний Днепр, Олешков-ское л-во), Эстония (о. Хийумаа), Венгрия (Ир-сент-Миклош, Нирши), Румыния (Ивешти), Китай (Чанжи)).
6) Кварцевые, карбонатные и полиминеральные пески (Прикаспийская низменность (Терско-Кумские пески, Калмыкия), Казахстан (Сев. При-аралье, Юж. Прибалхашье), Киргизия (Урдин-ские пески), Казахстан, Узбекистан, Туркмения (Кызылкумы, Каракумы, ст. Репетек), ОАЭ (Ду-баи)).
7) Торфяно-болотные, аллювиально-болот-ные, торфяно-глеевые почвы, органогенные горизонты (подстилки) (Московская обл. (УОПЭЦ МГУ "Чашниково", Центральная торфо-болот-ная станция, о. Лохин, Приокско-террасный зап.), Рязанская обл. (Белоомутское л-во), Тульская
обл. (Тульские засеки), Томская обл. (ст. "Плот-никово"), Тверская обл. (Западнодвинский ст. ИЛРАН)).
Кроме того, были исследованы образцы дерново-подзолистых легкосуглинистых почв векового опыта ТСХА, заложенного в 1912 г., в следующих вариантах: чистый пар с удалением сорняков; пар; картофель бессменно и рожь бессменно. Каждый вариант предусматривал три вида обработки: без удобрений (контроль), внесение навоза и известкование.
Влияние синтетических ОВ исследовалось на примере сильнонабухающих полимерных гидрогелей (СПГ) - почвенных кондиционеров нового поколения, успешно применяемых для повышения водоудерживающей способности почв легкого гранулометрического состава [15, 17]. Поскольку рабочие дозы СПГ не превышают 0.10.3% от массы почвы, кондиционер вносился во влажном состоянии после предварительного свободного набухания в воде, что обеспечивало равномерность его распределения в почве (субстрате).
Для удаления ОВ из почвы использовались два способа - "жесткий", заключающийся в прокаливании при 450-500°С в муфельной печи и "мягкий" - микробиологическая деструкция в условиях длительных (6-12 мес.) лабораторных экспериментов, проводимых при оптимальных влажностях и температурах. Прокаленные образцы сохраняли рыхлое сложение (не спекались), а также способность к смачиванию (молекулярной адгезии воды) и при насыщении влагой были близки по величине полной водовместимости к исходным (наитивным). При этом изменения в окраске образцов и тест на содержание углерода свидетельствовали о полном удалении ОВ из почв. Прокаливание образцов материнской породы и генетических горизонтов, не содержащих ОВ, практически не отражалось на ОГХ в случае почв легкого гранулометрического состава или приводило к небольшому уменьшению энергии водоудерживания для тяжелых почв, по-видимому, из-за частичной дегидратации коллоидов, разрушения карбонатной и железистой цементации элементарных почвенных частиц (ЭПЧ). Эти изменения ОГХ, однако, лишь в редких случаях превышали 10% от уменьшения водоудерживания при прокаливании образцов гумифицированных горизонтов тех же почв. Таким образом, можно заключить, что "жесткая" обработка при указанных температурах целиком разрушает органические компоненты и лишь незначительно сказывается на минеральной части твердой фазы, что позволяет применять ее в качестве экспрессной методики сравнительного анализа влияния ОВ на водоудерживающую способность почв. В дополнение исследовались образцы после "мягкого"
I ¥ I, Дж/кг, Sw, Дж/кг
200 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0
; \\ ОГХ
XX // Sw
\ \ // ¥ * к
\| V 1 // SCK
X 1 /
. i ч
10
20 ВРК 30НВ
40
50
W, %
делялись по ОГХ следующими способами. Наименьшая влагоемкость (НВ) - по пересечению кривой ОГ и ординаты потенциала влаги, соответствующего максимальной высоте капиллярного поднятия (¥к), определяемой экспериментально или по формуле [13]:
¥к =
^ж/г
SCKpb
(1 - pb/Ps - pbwa/P;)'
(1)
Рис. 1. Определение почвенно-гидрологических констант по ОГХ.
Пунктирные стрелки - искомые значения ВРК и НВ, заштрихованная область - диапазон оценок НВ' в полевых условиях методом заливаемых площадей. Остальные пояснения - в тексте.
микробиологического окисления ОВ, а также де-гумификации почвы в условиях векового комплексного опыта (ТСХА).
Получение ОГХ базировалось на оригинальных разработках инструментального метода равновесного центрифугирования [16, 18]. Присущие методу высокая точность, воспроизводимость результатов, экспрессность, нетру
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.