employee
Russian Federation
VAC 06.01.01 Общее земледелие, растениеводство
VAC 06.01.04 Агрохимия
UDK 63 Сельское хозяйство. Лесное хозяйство. Охота. Рыбное хозяйство
GRNTI 68.01 Общие вопросы сельского хозяйства
GRNTI 68.03 Сельскохозяйственная биология
GRNTI 68.05 Почвоведение
GRNTI 68.33 Агрохимия
The article analyzes the results of statistical processing of morphometric and agrochemical indicators of zonal soils of the Republic of Tatarstan based on the accumulated information of large-scale soil studies. The boundaries of genetic horizons are examined, the content of humus and its reserves within the limits of heavy loamy and clay varieties of arable soil subtypes is estimated. Arithmetic averages allow us to generalize the humus content in soils. So, in the series of sod-podzolic soils – light gray forest-gray forest – dark gray forest-podzolic chernozems – leached chernozems-typical soils in a layer of 0-30 cm on average contains 2,20; 2,58; 3,76; 4,76; 6,8; 7,6; 7,2 % humus. The observed patterns of humus accumulation in soils are also preserved in the distribution of its reserves – 85; 97; 140; 162; 233; 257; 240 tons per he-1. It is proposed to characterize the general population along the boundaries of typical values that fit into the 50% confidence interval to assess the overall range of spatial variability of humus indicators. The upper limit of the typicity will correspond to the greatest accumulation of humus with a combination of local features of soil formation factors and can serve as a guide for predicting carbon sequestration in the soils of this region. Accordingly, the carbon-sequestering potential of sod-podzolic soil and typical chernozem is-20 tons per he-1, light gray forest soil-22 tons per he-1, gray forest soil and leached chernozem-27 tons per he-1, the highest values in dark gray forest soil are more than 30 tons per he-1
soil density, humus content, humus reserves, statistical parameters, boundaries of typical values, zonal soils
Введение. Содержание и запасы гумуса в пахотных почвах являются показателями потенциального и эффективного плодородия почв, где накапливаются основные биофильные элементы и при условии оптимизации содержания гумуса создается высокоплодородная культурная почва [1].
Накопление гумуса в почвах представляет собой естественный процесс почвообразования, а его сохранение и стабилизация в агроэкосистемах зависит от уровня интенсификации земледелия. Существуют механизмы секвестрации почвенного органического вещества за счет физических и биохимических взаимодействий с частицами тонкодисперсной фазы почвы, их агрегации, при этом суммарная поверхность частиц определяет углеродсеквестирующий потенциал данного участка территории [2,3,4,5]. Наряду с этим, стабилизация происходит при образовании надмолекулярных ассоциатов из оболочки гидрофобных молекул покрывающих биолабильные гидрофильные молекулы, что дополнительно позволяет применять технологические приемы по секвестрации углерода для сельскохозяйственных почв [6].
В зависимости от антропогенного фактора и почвенных процессов, протекающих в течение длительного времени происходит варьирование показателей почвенных свойств, которые лучше оценить и прогнозировать с помощью методов математической статистики, по репрезентативным выборкам почвенных таксонов объекта. Также они позволяют обобщить данные фактических исследований и будут более информативны по сравнению с конкретными измерениями.
Условия, материалы и методы. Анализировались морфометрические и аналитические данные материалов крупномасштабного почвенного обследования, проводимого на территории Республики Татарстан. Сведения морфологической характеристики и аналитические показатели зональных почвенных подтипов распределены по выборкам с учетом уровней таксонов почв. Полученные выборки морфометрии генетических горизонтов и гумуса обработаны методами математической статистики и получены следующие среднестатистические параметры: средняя арифметическая (М), средне-квадратическое отклонение (σ), границы типичных значений (Vmin, Vmax). Обязательным условием рассмотрения показателей служит соответствие изучаемой выборки к требованиям нормального распределения, а типичные значения укладываются в 50% доверительный интервал.
Обобщение накопленного фактического материала проводилось для неэродированных пахотных почв. Математико-статистическая характеристика накопленной аналитической и морфологической информации приведена по следующим наиболее распространенным представителям экстразональных и зональных почв: дерново-подзолистым тяжелосуглинистым; светло-серым лесным тяжелосуглинистым; серым лесным тяжелосуглинистым; темно-серым лесным тяжелосуглинистым [7,8]; черноземам оподзоленным среднемощным среднегумусным тяжелосуглинистым; черноземам выщелоченным среднемощным среднегумусным тяжелосуглинистым; черноземам типичным среднемощным среднегумусным легкоглинистым [1].
При анализе полученной статистической информации применялись сравнительно-географический и сравнительно-аналитический методы.
Результаты и обсуждения. Формирование и строение генетического профиля почв относятся к фундаментальных процессам почвообразования и рассматриваются по показателям среднеарифметических и типичных значений нижней границы пахотного слоя или его мощности (табл.1). В качестве последнего принята нижняя граница переходного элювиально-иллювиального горизонта в дерново-подзолистых и серых лесных почвах и гумусового горизонта у черноземов.
Мощность пахотного слоя в зональных почвах изменяется в следующем порядке: 23,8 (ДП) – 24,8 (ССЛ) – 24,5 (СЛ) – 24,3 (ТСЛ) – 27,2 (ЧОП) – 27,5 (ЧВ) – 27,4 (ЧТ) см. Максимальная разница между ними равна 4,4 см, что подтверждает антропогенность этого слоя почвы.
Нижняя граница горизонта А2В (А1В у черноземов) имеет следующий ряд: 30,4 (ДП) – 32,7 (ССЛ) – 31,8 (СЛ) – 34,4 (ТСЛ) – 41,4 (ЧОП) – 42,0 (ЧВ) – 48,1 (ЧТ) см; различия глубины переходных горизонтов более существенны из-за различных типов почвообразования.
Географические закономерности более отчетливо отражаются в распределении содержания гумуса в пахотном слое, что составляет следующий ряд: 2,3 (ДП) – 2,8 (ССЛ) – 4,0 (СЛ) – 5,3 (ТСЛ) – 6,91 (ЧОП) – 7,65 (ЧВ) – 7,19 (ЧТ) %. Для данного ряда гумусовый горизонт обычно представлен пахотным слоем, за исключением черноземов, где имеется горизонт А1В, нижняя граница которого располагается на глубине более 40 см.
Другой особенностью является то, что содержание гумуса более 1 % отмечается во всех подтипах серых лесных почв и черноземов на глубине более 30 см, в то время как в дерново-подзолистых почвах она не доходит до 30-сантиметровой отметки. Все это является свидетельством улучшения условий накопления гумуса по мере движения от дерново-подзолистых почв к черноземам.
На основе полученных данных рассчитаны доверительные типичные значения гумуса пахотного и подпахотного горизонтов почв, позволяющие определить уровень плодородия половины исследуемой территории, а верхние пределы значений могут служить прогнозом для секвестрации углерода при данном сочетании факторов почвообразования и уровня хозяйствования (табл.2).
В ходе почвообразовательного процесса отдельные почвенные горизонты и профиль почвы приобретают равновесную плотность. В результате разрыхления материнской породы образуются новые свойства сложения, происходит агрегация гранулометрических частиц под воздействием гумусовых веществ, приобретая структуру. Данный процесс с большей интенсивностью происходит в верхнем гумусово-аккумулятивном горизонте. В результате агрогенеза пахотный слой почвы в исследуемых почвенных подтипах варьирует в диапазоне 1,11–1,29 г/см3 (табл. 2). Вместе с тем прослеживается подтиповые особенности процессов почвообразования.
Отмеченные закономерности накопления гумуса в почвах в основном сохраняются в распределении его запасов. Так, в слое 0–30 см запасы гумуса имеют следующий возрастающий ряд: 85 (ДП) – 97 (ССЛ) – 140 (СЛ) – 162 (ТСЛ) – 233 (ЧОП) – 257 (ЧВ) – 240 (ЧТ) т/га. Соотношение между максимальными и минимальными запасами для расчетного слоя равно 3,0.
За счет различия физико-химических свойств в различных типах почв и в целом сочетания факторов почвообразования образуется определенное количество стабильных форм гумуса, что и соответствует предельным возможностям секвестрации углерода в почвах. При этом дополнительное поступление органического вещества не приведет к существенному его накоплению [9,10,11,12]. Так по данным типичных значений содержание гумуса в изучаемых подтипах, составляет по верхнему пределу от 0,9 до 1,5% от не достающих значений до насыщения почвы. Наибольший резерв секвестрации прогнозируется у темно-серых лесных почв, связано это по нашему мнению, с процессами усиленной дегумификации в результате длительного и нерационального землепользования при периодически промывном водном режиме (14,5-30,7 т С га-1). Полученные прогнозные данные углеродсеквестирующего потенциала сопоставимы с показателями основных почв Европейской части России и мира [11,12,13]. Более детальные и точные расчеты могут быть получены по результатам масштабных полевых и лабораторных исследований содержания Сорг в гранулометрических фракциях таксонов почв различных сельскохозяйственных угодий и разных систем земледелия[12].
Почвенная секвестрация углерода наиболее перспективная и рентабельная природоохранная стратегия. Связывание углерода повышает естественное плодородие почв, на долгие годы снижается риск возврата углерода в атмосферу, создаются предпосылки для развития устойчивого земледелия и производства экологически безопасной продукции. Улучшение качества почвы позволит уменьшить антропогенную нагрузку и запустит механизмы самовосстановления почв. Уже в ближайшее время за счет почвенной секвестрации органического углерода можно будет компенсировать эмиссии СО2 от сжигания ископаемого топлива в аграрном секторе.
Основными мероприятиями увеличения запасов углерода в почве являются восстановление почвы, лесных массивов, No-till земледелие, посев покровных культур, сбалансированное применение удобрений и мелиорантов. Предполагаемое количество почвенной секвестрации углерода за счет образования стабильных соединений гумусовых веществ может составлять до 0.05–1 т/га в год и повысить урожайность сельскохозяйственных культур на 20-40 кг га-1 для пшеницы [14].
Выводы. 1. В слое 0–30 см запасы гумуса имеют следующий возрастающий ряд: 85 (ДП) – 97 (ССЛ) – 140 (СЛ) – 162 (ТСЛ) – 233 (ЧОП) – 257 (ЧВ) – 240 (ЧТ) т га-1.
2. Распределение генетических горизонтов, их типичные значения более четко характеризуют генетический профиль анализируемых почв, сопоставление отдельных значений вариант (дат) с доверительным интервалом типичных значений позволяют оценить отдельные показатели свойств почвы.
3. Верхняя граница типичности соответствует наибольшему накоплению гумуса при сочетании местных особенностей факторов почвообразования и может служить ориентиром для прогноза секвестрации углерода в почвах данного региона. Соответственно, углеродсеквестирующий потенциал дерново-подзолистой почвы и чернозема типичного составляет – 20 т С га-1, светло-серой лесной почвы – 22 т С га-1, серой лесной почвы и чернозема выщелоченного – 27 т С га-1, наибольшие значения в темно-серой лесной почве более 30 т С га-1.
1. Davlyatshin ID, Gilyazov MYu, Lukmanov AA, Nuriev SSh, Minnulin RM, Mametov MI, Mustafin AV, Gairov RR, Khakimzyanov RT. Spravochnik agrokhimika. [Handbook of agrochemists]. Kazan': OOO «MeDDok». 2013; 300 p.
2. Von Lützow M, Kögel-Knabner I, Ekschmitt K, Matzner E, Guggenberger G, Marschner B, Flessa H. Stabilization of organic matter in temperate soils: Mechanisms and their relevance under different soil conditions - a review. Eur. J. Soil Sci. 2006. Vol. 57. 426 - 445 p. DOI:https://doi.org/10.1111/j.1365-2389.2006.00809.x.
3. Kögel-Knabner I, Ekschmitt K, Flessa H, Guggenberger G, Matzner E, Marschner B, von Lützow M. An integrative approach of organic matter stabilization in temperate soils: Linking chemistry, physics, and biology. J. Plant Nutr. and Soil Sci. 2008. Vol. 171 (1). 5 - 13 p. DOI:https://doi.org/10.1002/jpln.200700215
4. Shein EV, Milanovskii EYu. [The role and importance of organic matter in the formation and stability of soil aggregates]. Pochvovedenie. 2003; 1: 53-61 p.
5. Semenov VM, Kogut BM. [Soil organic matter]. Moscow: GEOS. 2015; 233 p.
6. Piccolo A. Carbon Sequestration in Agricultural Soils: A Multidisciplinary Approach to innovative Methods. Springer-Verlag Berlin Heidelberg. 2012. 310 p DOI https://doi.org/10.1007/978-3-642-23385-2
7. Gaffarova LG, Davlyatshin ID, Ivoilov AV. Statisticheskie parametry morfologicheskogo stroeniya i svoistv dernovo-podzolistykh i serykh lesnykh pakhotnykh pochv Privyatskoi polosy lesostepnoi zony Respubliki Tatarstan: monografiya. [Statistical parameters of the morphological structure and properties of sod-podzolic and gray forest arable soils of Vyatka belt of the forest-steppe zone of the Republic of Tatarstan: monograph]. - Kazan': Izd-vo Kazan. gos. agrarnogo un-ta. 2019; 130 p.
8. Murtazina SG, Gaffarova LG, Murtazin MG, Akhrarova AS. [Free and bound amino acids in the soils of the Volga forest-steppe and their role]. Vestnik Kazanskogo GAU. 2019; 4 (55). 80-84 p.
9. Chung H, Grove JH, Six J. Indications for soil carbon saturation in a temperate agroecosystem. Soil Sci. Soc. Am. J. 2008. Vol. 72 (4). 1132-1139 p. DOI:https://doi.org/10.2136/sssaj2007.0265.
10. Chung H, Ngo KJ, Plante A, Six J. Evidence for carbon saturation in a highly structured and organic-matter-rich soil. Soil Sci. Soc. Am. J. 2010. Vol. 74 (1). 130-138 p. DOI:https://doi.org/10.2136/sssaj2009.0097.
11. Wiesmeier M, Hübner R, Spörlein P, Geuß U, Hangen E, Reischl A, Schilling B, von Lützow M, Kögel-Knabner I. Carbon sequestration potential of soils in southeast Germany derived from stable soil organic carbon saturation. Global Change Biology. 2014. Vol. 20 (2). 653-665 p. DOI:https://doi.org/10.1111/gcb.12384.
12. Kogut BM, Semenov VM. [Assessment of soil saturation with organic carbon]. Byulleten' Pochvennogo instituta imeni V.V. Dokuchaeva. 2020. Vyp. 102. 103-124 p. DOI:https://doi.org/10.19047/0136-1694-2020-102-103-124 Cite this article as:
13. Meyer N, Bornemann L, Welp G, Schiedung H, Herbst M, Amelung W. Carbon saturation drives spatial patterns of soil organic matter losses under long-term bare fallow. Geoderma. 2017. Vol. 306. 89-98 p. DOI:https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2017.07.004.
14. Lal R. Soil carbon sequestration to mitigate climate change. Geoderma. 2004. Vol. 123. 1-22 p. DOI:https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2004.01.032
