Статья: Особенности трансформации торфяных почв и их параметров плодородия в постмелиоративный период в условиях Беларуси

Особенности трансформации торфяных почв и их параметров плодородия в постмелиоративный период в условиях Беларуси

Введение

торфяной почва плодородие

В регионе Белорусского Полесья большинство торфяных почв (площадью около 0,7 млн га) осушены более 30 лет назад и интенсивно используются в сельском хозяйстве. В результате их водно-физические, агро- и биохимические свойства, характеризующие процессы трансформации торфяного слоя и его плодородие, изменились и продолжают изменяться [1-9]. Установлено, что по истечении 10-20-летнего периода с начала осушения заканчивается активная фаза трансформации органического вещества (ОВ), а после 40-50 лет практически наступает стабилизация биохимических процессов, что подтверждают данные по ферментативной активности. Изучение изменения водно-физических свойств антропогенно-преобразованных торфяных почв показало, что по сравнению с вновь осушенной торфяной почвой в них уменьшилась полная и капиллярная влагоемкость, изменились запасы продуктивной влаги. Это связано с уплотнением торфяного слоя и особенно с припахиванием к нему подстилающей породы в ходе сельскохозяйственного использования. Таким образом, полученные в первые годы после осушения прогнозы эволюции торфяных почв и их ОВ в настоящее время требуют уточнения и существенной корректировки, которые базировались бы на новых данных, полученных на осушенных более 40 лет назад реальных объектах.

В данной работе представлены материалы обследования органогенного слоя, сформированного на месте торфяных почв различной мощности, с максимально доступными сроками сельскохозяйственного использования мелиоративных объектов.

Материалы и методы. Исследования проводили на совокупности мелиоративных объектов Белорусского Полесья: канал Бона ( 450 лет после осушения, Кобринский район Брестской области); объект «Лопатино» (исходное название - польдер Кристиново, 250 лет, Пинский район Брестской области); мелиоративная система Марьинская (исходное название - болото Марьино, 100 лет, Любанский район Минской области); Полесская опытная станция мелиоративного земледелия и луговодства (ПОСМЗиЛ, 45-50 лет, Лунинецкий район Брестской области). Торф на объектах низинный, по ботаническому составу осоково-тростниковый или тростниково-осоковый (70-80 : 30-20 %), допускаются включения остатков древесины лиственной (до 15 %). Подстилающая порода - песок. На каждом объекте были подобраны точки с содержанием ОВ более 50 %, 20-34 % и менее 10 %.

Содержание ОВ измеряли методом прокаливания (СТБ 2042-2010) СТБ 2042-2010 «Торф. Методы определения влаги и зольности».. Содержание подвижных форм фосфора и калия - по методу Кирсанова. Активность дегидрогеназы, используемую как индикатор общей микробиологической активности изучаемых почв, определяли по модифицированному методу Ленарда [10]. Фракционный состав почвенного азота устанавливали по методу Н. Н. Семененко [11]. Скорость (интенсивность) эмиссии диоксида углерода с поверхности изучаемых объектов измеряли камерным методом. Концентрацию СО₂ в газовых пробах определяли на хроматографе «Кристаллюкс-4000М».

Результаты и обсуждение

На всех исследованных мелиоративных объектах в реперных точках определяли плотность структурного скелета. Установлено, что она определяется содержанием ОВ в органогенном слое и хорошо ( = 0,8447) аппроксимируется степенной зависимостью:

,

где - плотность структурного скелета, г/см³;

- содержание ОВ в органогенном слое 0-20 см, %.

Кроме того, с учетом осадки торфяного слоя при сельскохозяйственном использовании, происходящей после углублений сети при реконструкциях [12], была получена модель механической трансформации торфяных почв. Среднемощные и мощные торфяные почвы трансформировались в агроторфяные с содержанием ОВ более 50 %, а маломощные торфяные, торфянисто- и торфяно-глеевые после осадки и механического перемешивания с подстилающей песчаной породой формируют целый комплекс дегроторфяных почв с содержанием ОВ менее 50 % (рисунок 1).

Рисунок 1 - Модель механической трансформации торфяных почв (классификация почв по Н. И. Смеяну [13])

В связи с тем, что на всех объектах, независимо от длительности осушения и зоны дислокации на территории республики, были представлены почвы от агроторфяных до дегроторфяных с различным содержанием ОВ, подтверждается вывод, что этот вид трансформации заканчивается в первые годы после осушения, а в дальнейшем скорость ее значительно замедляется. Вклад механической трансформации в общее их изменение - около 80 %. При ограничении и соблюдении глубины обработки почвы (до 25 см) при сельхозиспользовании механическую трансформацию можно практически предотвратить. Кроме того, в процессе сельскохозяйственного использования происходит накопление валовых и подвижных форм фосфора и калия (таблица 1). Так, осушенные торфяные почвы региона Полесья, находящиеся в различных стадиях трансформации, в настоящее время характеризуются содержанием подвижных форм фосфора и калия 120-642 и 100-475 мг/кг соответственно.

Таблица 1 - Изменение агрохимических свойств торфяных почв различных стадий трансформации (слой 0-20 см) под влиянием сельскохозяйственного использования (ПОСМЗиЛ)

Важным показателем, характеризующим плодородие торфяных почв, является содержание доступных растениям форм азота (минерального и близкого резерва - легкогидролизуемого). Установлено, что фракционный состав почвенного азота определяется содержанием ОВ в органогенном слое 0-20 см (таблица 2). Однако для оценки плодородия торфяных почв различных стадий трансформации и различной длительности сельскохозяйственного использования необходимо оценивать запасы азота (т/га) в них с учетом всех происходящих с этими почвами изменений (осадки, уплотнения и т. д.).

Таблица 2 - Зависимости содержания и запасов азота различных фракций от ОВ (%) в антропогенно-преобразованных торфяных почвах

Так, установлено, что запасы валового, негидролизуемого, нитратного и аммонийного азота зависят от содержания ОВ в слое 0-20 см, в то время как содержание трудногидролизуемого и легкогидролизуемого N находится в одних пределах вне зависимости от стадии трансформации торфяной почвы (таблица 2).

Кроме того, отмечено, что запасы (т/га) валового, негидролизуемого, минерального, нитратного и аммонийного азота в торфяных почвах различных стадий трансформации изменяются в 1,5-2,0 раза, а не в 4-5 раз, как его содержание (мг/кг).

Выявлено, что качественный состав пула азота зависит от стадии трансформации торфяных почв. Основная часть N представлена фракцией негидролизуемого (47-87 % от валового N), который практически не участвует в биологическом круговороте. Чем выше содержание ОВ, тем выше доля негидролизуемого азота. Содержание фракции трудногидролизуемого N (отдаленного резерва в питании растений) находилось в пределах 12-53 % от валового и было в 2,7-3,7 раза выше по сравнению с легкогидролизуемым N. Отмечена обратная зависимость: чем выше содержание ОВ, тем ниже доля трудногидролизуемого N. Аналогичная тенденция отмечена для легкогидролизуемого и минерального азота. Однако минеральный N был менее вариабелен в зависимости от валового. Его доля колебалась в пределах 0,19-0,39 %. Четкой зависимости доли аммонийного и нитратного азота в общем пуле почвенного N от ОВ не выявлено.

В ходе исследований по оценке эмиссии углекислого газа и общей микробиологической активности (выраженной через активность дегидрогеназы) на разновозрастных объектах не установлена их связь с длительностью сельскохозяйственного использования. На эмиссию СО₂ в некоторой степени оказывает влияние способ сельскохозяйственного использования. Оно может как интенсифицировать ее, так и по различным причинам, связанным с технологическими моментами, тормозить этот процесс. Так, при одинаковом содержании ОВ (87-93 %) на объектах после 40 лет использования (ПОСМЗиЛ, травы) и после 100 лет (объект «Марьинский», картофель) интенсивность выделения СО₂ была в одних пределах и составила (1360 ± 142) и (1052 ± 426) мг С/(м²·ч) соответственно.

При содержании ОВ в пределах 75-80 % и сравнимой влажности почвы (27-36 вес. %) в севообороте под ячменем (польдер Кристиново) эмиссия СО₂ в среднем в 1,3-1,6 раза выше, чем в заповеднике или под бессменной культурой трав. Однако минимальные и максимальные значения на этих объектах перекрываются, отражая лишь тенденцию к ее увеличению в севообороте.

При содержании ОВ 50-65 % и влажности 33-44 вес. % эмиссия варьировала от (556 ± 47) мг С/(м²·ч) на объекте с 100-летним использованием в севообороте под картофелем до (1190 ± 104) и (1133 ± 123) мг С/(м²·ч) под травами на объектах 250 и 450 лет сельскохозяйственного использования соответственно.

Таким образом, под пропашными культурами эмиссия СО₂ не возрастает в разы, а находится в одинаковых пределах с эмиссией под травами. Возможно, из-за большого количества корневых и пожнивных остатков под последними, процессы минерализации которых выше, чем в севооборотах, интенсивность выделения углекислого газа также выше, т. е. в агроторфяных почвах после 40 лет сельскохозяйственного использования минерализации подвергается свежее ОВ растительных остатков, которых много и под травами, и на слабо осушенных болотах с естественной растительностью.

При содержании ОВ 12-21 % (влажности 2-16 вес. %) под кукурузой на 40-летнем объекте эмиссия такая же, как под травами на 450-летнем объекте [(999 ± 104) и (958 ± 218) мг С/(м²·ч)]. Возможно, потенциальная эмиссия СО₂ в севообороте под кукурузой должна быть выше, но она лимитируется почвенно-гидрологическими условиями, создаваемыми при ее возделывании [17]. На польдере Кристиново (250 лет использования) под многолетними травами эмиссия СО₂ составила (1990 ± 104) мг С/(м²·ч), т. е. в 1,75 раза выше, чем под аналогичными травами на канале Бона. Анализ данных показал, что на польдере Кристиново эмиссия СО₂ выше по сравнению со всеми объектами независимо от содержания в них ОВ.

В ситуации, когда содержание ОВ в органогенном слое опускается ниже 5 %, снижается и эмиссия СО₂. Лимитирующим фактором в этом случае может быть снижение весовой влажности почвы до 0,5-0,7 %. При более высокой влажности (6,8 %) на 450-летнем объекте (канале Бона) интенсивность выделения СО₂ была в среднем в 1,4-1,5 раза выше по сравнению с 40-летним объектом (ПОСМЗиЛ). Однако это незначительное варьирование может быть связано с видовым разнообразием возделываемых на объектах культур.

В целом закономерности общей микробиологической активности, выраженной через интенсивность дегидрогеназы, согласуются с полученными по эмиссии СО₂ [18]. Оба эти показателя являются индикаторами общей микробиологической активности и отражают интенсивность трансформации ОВ, которые также зависят от содержания ОВ в органогенном слое.

Выводы

В процессе сельскохозяйственного использования торфяные почвы претерпевают ряд изменений. Улучшаются их водно-физические, агро- и биохимические свойства. Они трансформируются в ряд почвенных разновидностей с различным содержанием ОВ. При этом возрастает содержание подвижных форм фосфора и калия, которое зависит от уровня агротехники. Запасы почвенного азота в органогенном слое почвы 0-20 см относительно стабильны по стадиям трансформации торфяных почв. Азотный режим почв определяется не длительностью их сельскохозяйственного использования (на каждом объекте представлены почвы от агроторфяных до минеральных остаточно-торфяных с низким содержанием ОВ или постторфяных), а степенью их трансформации, которая зависит от первоначальной мощности торфяной залежи.