Transformation of structural and aggregate composition parameters of fallow soils in the South-East of Western Siberia

Full Text

Введение

К факторам, оказывающим определяющее влияние на продуктивность агроценозов, относятся физические характеристики почв, в частности — их структура [1]. Отсюда целью исследования было установление структурно-агрегатного состояния почв, дифференцирующихся по возрасту залежей Правобережья Оби на территории Новосибирской области.

Полученные материалы по структурно-агрегатному состоянию залежей существенно дополнили исследование [2], в особенности в контексте процессов восстановления исходных свойств почв залежей разных возрастов, в связи с этим проведенное исследование представляется весьма актуальным.

Почвенным свойствам залежей территории Российской Федерации с 2006 г. уделяется значительное внимание, о чем можно судить по обзору [3], где приведен пространный список районов исследований и их авторов. Специфика условий Сибири учтена в работах [4–7].

Имеются литературные данные о количестве водопрочных агрегатов в целинных и старопахотных черноземах оподзоленных и выщелоченных Колывань-Томской возвышенности [8], а также старопахотных и целинных черноземах выщелоченных Тогучинского района Новосибирской области [9]. Авторы отмечают снижение количества водопрочных агрегатов в почвах, выведенных из сельскохозяйственного оборота, в сравнении с целинными землями, что объясняется частичной утратой их макроструктуры при распашке.

Вместе с тем исследования трансформации структурно-агрегатного состояния почв разновозрастных залежей на юге Западной Сибири ранее не проводились.

Материалы и методы исследования

Объекты исследования расположены на Предсалаирской дренированной равнине, занимающей восточную, правобережную часть Новосибирской области, — это территория весьма типична по особенностям рельефа и почвенно-растительного покрова для юго-востока Западной Сибири [10].

Исходя из проведенной ранее почвенно-экологической оценки почв разновозрастных залежей [3, 11], для каждой возрастной категории залежей выбирали два наиболее представительных почвенных профиля. Идентификация и дифференциация залежей по возрасту осуществлялась по принятой методике ^[1]. Таким образом, исследованные почвы залежей можно охарактеризовать как агрочерноземы выщелоченные и агротемно-серые типичные, а почвы целинного участка идентифицируются как черноземы типичные. Выбор данных объектов обусловлен тем, что район исследования характеризуется преобладанием именно вышеперечисленных типов почв  [12], а тот факт, что они близки по своим физико-химическим характеристикам, не противоречит их совместному рассмотрению в данной работе [13, 14].

Исследования проводили в соответствии с общепринятыми методиками отбора ^[2] и химико-аналитической обработки образцов ^[3] [15, 16].

Для выявления достоверности различий полученные данные проанализировали методами статистического анализа с использованием среды Google Colab на языке Python и библиотеки SciPy. Статистическую обработку результатов анализа провели на основе непараметрического критерия Краскела — Уоллиса и Уилкоксона — Манна — Уитни.

Результаты исследования и обсуждение

Структурно-агрегатное состояние почв напрямую зависит от их гранулометрического состава и содержания гумуса; согласно приведенным данным (табл.), исследуемые почвы разновозрастных залежей обнаруживают близость друг другу по этим характеристикам.

Коэффициент структурности (рис. 1). Почвы молодых залежей уступают по данному показателю почвам залежей средневозрастных и старых лишь в слое 0–10 см; в слое 20–30 см происходит перекрытие значений коэффициента структурности почв молодых и средневозрастных залежей в диапазоне 1,7–3,2; в целом, в пределах пахотного горизонта значения этого показателя для почв залежей всех возрастов соответствуют хорошему уровню, находясь в диапазоне 0,9–5,7 (за исключением одной из почв молодых залежей: ее коэффициент структурности в слое 0–20 см
соответствует удовлетворительному). Необходимо отметить, что в слое 20–30 см почвы залежей всех возрастов представляют собой одну группу, хотя минимальным значение коэффициента структурности является у одной из молодых залежей, а максимальным — у одной из старых, включая целину. Примечательно, что кривая значений (рис. 1), построенная по данному показателю для почв целины, занимает на графике положение среди кривых для средневозрастных и старых залежей; в слое 10–30 см кривые залежей всех возрастов, а также кривая целины, группируются вместе. Согласно статистическому анализу на основе критерия Уилкоксона — Манна — Уитни, статистически значимые различия присутствуют в залежах среднего возраста (Критерий (U) = 3,93; р = 0,04). Молодые залежи попарно одинаковые (Критерий (U) = 5,33; р = 0,06), старые так же попарно одинаковые (Критерий (U) = 0,41; р = 0,52). Согласно анализу на основе критерия Краскела — Уоллиса, целина статистически похожа на старые залежи (Критерий (Н) = 1,83; р = 0,4).

Физико-химические характеристики изученных почв

Содержание илистой фракции, %
Участок	Глубина, см
	0–10	10–20	20–30	30–40	40–50
Залежь 3–4 года (почва агротемно-серая типичная среднесуглинистая)	10,96	12,64	24,27	26,32	21,70
Залежь 2–3 года (почва агрочернозем выщелоченный среднесуглинистый)	6,68	12,31	22,80	23,40	21,67
Залежь 7–10 лет (почва агрочернозем выщелоченный среднесуглинистый)	16,60	17,40	15,60	21,00	24,80
Залежь 10–12 лет (почва агрочернозем выщелоченный среднесуглинистый)	11,36	11,30	20,57	25,23	21,23
Залежь 21–23 года (почва агротемно-серая типичная тяжелосуглинистая)	13,73	19,73	22,92	22,66	18,94
Залежь 17–19 лет (почва агрочернозем выщелоченный тяжелосуглинистый)	14,40	31,80	31,89	27,40	22,20
Целина (почва чернозем глинисто-иллювиальный элювиированный)	20,80	19,50	16,90	22,10	30,50
По содержанию илистой фракции значимых различий нет (Критерий Краскела — Уоллиса (Н) = 4,84; р = 0,56)
Содержание гумуса, %
Участок	Глубина, см
	0–10	10–20	20–30	30–40	40–50
Залежь 3–4 года (почва агротемно-серая типичная среднесуглинистая)	6,1	5,5	3,1	2,0	1,8
Залежь 2–3 года (почва агрочернозем выщелоченный среднесуглинистый)	5,5	4,1	2,4	1,7	1,7
Залежь 7–10 лет (почва агрочернозем выщелоченный среднесуглинистый)	5,6	4,5	4,0	1,1	0,8
Залежь 10–12 лет (почва агрочернозем выщелоченный среднесуглинистый)	13,0	12,0	5,3	1,5	0,4
Содержание гумуса, %
Участок	Глубина, см
	0–10	10–20	20–30	30–40	40–50
Залежь 21–23 года (почва агротемно-серая типичная тяжелосуглинистая)	17,0	5,6	2,5	1,7	1,7
Залежь 17–19 лет (почва агрочернозем выщелоченный тяжелосуглинистый)	14,8	5,3	1,7	1,2	2,4
Целина (почва чернозем глинисто-иллювиальный элювиированный)	13,3	12,7	10,8	6,9	3,9
По содержанию гумуса значимых различий нет (Критерий Краскела — Уоллиса (Н) = 1,95; р = 0,92)
pH
Участок	Глубина, см
	0–10	10–20	20–30	30–40	40–50
Залежь 3–4 года (почва агротемно-серая типичная среднесуглинистая)	6,8	6,8	7,0	6,9	6,8
Залежь 2–3 года (почва агрочернозем выщелоченный среднесуглинистый)	7,0	7,3	7,4	7,4	6,7
Залежь 7–10 лет (почва агрочернозем выщелоченный среднесуглинистый)	5,8	6,1	6,3	6,5	6,6
Залежь 10–12 лет (почва агрочернозем выщелоченный среднесуглинистый)	6,3	6,3	6,1	6,4	7,6
Залежь 21–23 года (почва агротемно-серая типичная тяжелосуглинистая)	8,2	7,5	6,7	6,8	6,4
Залежь 17–19 лет (почва агрочернозем выщелоченный тяжелосуглинистый)	7,1	6,9	6,9	7,9	6,4
Целина (почва чернозем глинисто-иллювиальный элювиированный)	6,2	6,4	6,5	6,6	6,5
По значениям рН значимых различий нет (Критерий Краскела — Уоллиса (Н) = 3,88; р = 0,06)

Источник: анализ структурно-агрегатного состава, выполненный Г.Ф. Миллером, Д.А. Филимоновой, А.Н. Безбородовой, С.В. Соловьевым.

Physicochemical characteristics of the studied soils

Silt fraction content, %
Site	Depth, cm
	0–10	10–20	20–30	30–40	40–50
Fallow of 3–4 years (Typical Medium-loamy Agro-Dark Gray Soil)	10.96	12.64	24.27	26.32	21.70
Fallow of 2–3 years (Leached Medium-loamy Agrochernozem)	6.68	12.31	22.80	23.40	21.67
Silt fraction content, %
Site	Depth, cm
	0–10	10–20	20–30	30–40	40–50
Fallow of 7–10 years (Leached Medium-loamy Agrochernozem)	16.60	17.40	15.60	21.00	24.80
Fallow of 10–12 years (Leached Medium-loamy Agrochernozem)	11.36	11.30	20.57	25.23	21.23
Fallow of 21–23 years (Typical Heavy-loamy Agro-Dark Gray Soil)	13.73	19.73	22.92	22.66	18.94
Fallow of 17–19 years (Leached Heavy-loamy Agrochernozem)	14.40	31.80	31.89	27.40	22.20
Virgin soil (Clay-illuvial Eluviated Chernozem)	20.80	19.50	16.90	22.10	30.50
There are no significant differences in silt content (Kruskal-Wallis test (H) = 4.84; p = 0.56).
Humus content, %
Site	Depth, cm
	0–10	10–20	20–30	30–40	40–50
Fallow of 3–4 years (Typical Medium -loamy Agro-Dark Gray Soil)	6.1	5.5	3.1	2.0	1.8
Fallow of 2–3 years (Leached Medium-loamy Agrochernozem)	5.5	4.1	2.4	1.7	1.7
Fallow of 7–10 years (Leached Medium-loamy Agrochernozem)	5.6	4.5	4.0	1.1	0.8
Fallow of 10–12 years (Leached Medium-loamy Agrochernozem)	13.0	12.0	5.3	1.5	0.4
Fallow of 21–23 years (Heavy-loamy Agro-Dark Gray Soil)	17.0	5.6	2.5	1.7	1.7
Fallow of 17–19 years (Leached Heavy-loamy Agrochernozem)	14.8	5.3	1.7	1.2	2.4
Virgin soil (Clay-illuvial Eluviated Chernozem) Typical	13.3	12.7	10.8	6.9	3.9
There are no significant differences in humus content (Kruskal-Wallis test (H) = 1.95; p = 0.92)
pH
Site	Depth, cm
	0–10	10–20	20–30	30–40	40–50
Fallow of 3–4 years (Typical Medium -loamy Agro-Dark Gray Soil)	6.8	6.8	7.0	6.9	6.8
pH
Site	Depth, cm
	0–10	10–20	20–30	30–40	40–50
Fallow of 2–3 years (Leached Medium-loamy Agrochernozem)	7.0	7.3	7.4	7.4	6.7
Fallow of 7–10 years (Leached Medium-loamy Agrochernozem)	5.8	6.1	6.3	6.5	6.6
Fallow of 10–12 years (Leached Medium-loamy Agrochernozem)	6.3	6.3	6.1	6.4	7.6
Fallow of 21–23 years (Typical Heavy-loamy Agro-Dark Gray Soil)	8.2	7.5	6.7	6.8	6.4
Fallow of 17–19 years (Leached Heavy-loamy Agrochernozem)	7.1	6.9	6.9	7.9	6.4
Virgin soil (Clay-illuvial Eluviated Chernozem)	6.2	6.4	6.5	6.6	6.5
There are no significant differences in pH values (Kruskal-Wallis test (H) = 3.88; p = 0.06)

Source: analysis of the structural-aggregate composition of soils was performed by G.F. Miller, D.A. Filimonova, A.N. Bezborodova, S.V. Solovyev.

Рис. 1. Коэффициент структурности почв разновозрастных залежей
Источник: выполнили Д.А. Филимонова и А.Н. Безбородова с помощью программы Microsoft Excel.
Fig. 1. The structure coefficient of soils for different aged fallows
Source: compiled by D.A. Filimonova and A.N. Bezborodova using Microsoft Excel.

Критерий водопрочности агрегатов (рис. 2). Как следует из графика, почвы молодых залежей по критерию водопрочности имеют пограничные значения, соответствующие верхней границе удовлетворительного и нижней границе хорошего состояния по данному показателю (80–125), причем не только в 30‑сантиметрового антропогенно-преобразованном горизонте, но и на протяжении всей 50‑сантиметровой толщи отбора образцов.

Согласно полученным данным, закономерности изменения показателя водопрочности агрегатов вниз по профилю имеют сходный характер в почвах средневозрастных и старых залежей, а также целины, кроме того, все значения находятся в диапазоне от 200 до 1000, что соответствует хорошим и отличным оценкам.
Таким образом, можно утверждать, что по данному показателю вышеперечисленные объекты закономерно составляют одну группу.

Рис. 2. Критерий водопрочности агрегатов почв разновозрастных залежей
Источник: выполнили Д.А. Филимонова и А.Н. Безбородова с помощью программы Microsoft Excel.
Fig. 2. Criterion of water stability of soil aggregates for different-aged fallows
Source: compiled by D.A. Filimonova and A.N. Bezborodova using Microsoft Excel.

Согласно статистическому анализу, проведенному на основе критерия Уилкоксона — Манна — Уитни, исследуемые залежи попарно не имеют статистически значимых различий по критерию водопрочности агрегатов. Целина, согласно анализу на основе критерия Краскела — Уоллиса, значимо не отличается от старых залежей (Критерий (Н) = 0,5; р = 0,77).

Водоустойчивость (рис. 3). Анализ полученных данных, отображенных на графике, позволяет сделать заключение, что молодые залежи занимают обособленное положение (значения индекса в диапазоне 15–17), в то время как средневозрастные и старые залежи, а также целина (значения индекса в диапазоне 40…100), могут быть визуально объединены. При этом оценка водоустойчивости почв молодых залежей является неудовлетворительной, а оценки прочих почв — от хороших до избыточно высоких.

Рис. 3. Водоустойчивость почв разновозрастных залежей
Источник: выполнили Д.А. Филимонова и А.Н. Безбородова с помощью программы Microsoft Excel.
Fig. 3. Water resistance of soils for different-aged fallows
Source: compiled by D.A. Filimonova and A.N. Bezborodova using Microsoft Excel.

По параметру водоустойчивости при сравнении залежей попарно (на основе критерия Уилкоксона — Манна — Уитни) статистически значимых различий не наблюдается. Статистически (согласно критерию Краскела — Уоллиса) целина схожа со старыми залежами (Критерий (Н) = 2,09; р = 0,35).

Исследование структурно-агрегатного состояния почв разновозрастных залежей Предсалаирской дренированной равнины позволяет сделать вывод о том, что по всем трем показателям (коэффициенту структурности, критерию водопрочности агрегатов и водоустойчивости) исследованные черноземные и агротемно-серые типичные почвы, включая используемую в качестве контроля целину, обладают хорошей структурностью; хорошей, очень хорошей и отличной водопрочностью агрегатов, а также в целом хорошей (вплоть до избыточно высокой) водоустойчивостью агрегатов. При этом нужно отметить, что хорошая водоустойчивость почвенных агрегатов на территории Предсалаирья, с его подверженностью почвенно-эрозионным процессам, имеет особое значение: именно этот показатель структурно-агрегатного состояния позволяет противостоять размыву и смыву, сохраняя зернистую структуру почвы.

Таким образом, основываясь на полученных данных, не представляется возможным распределить почвы разновозрастных залежей в виде ряда, в котором могло бы наблюдаться постепенное улучшение показателей их структурно-агрегатного состояния в зависимости от возрастной категории залежи. Следовательно, непосредственно продолжительность нахождения бывшей пашни в состоянии залежи не является фактором, определяющим показатели параметров структурно-агрегатного состояния их почв — во всяком случае, на протяжении первых десятков лет.

Заключение

Структурно-агрегатное состояние определяется, в первую очередь, не возрастом залежи, а тем, в каком состоянии находились почвы пашни на момент ее перевода в залежь, что и можно полагать причиной несколько худшего структурно-агрегатного состояния почв исследованных молодых залежей.

 

 

^{1Степанов М.И., Сысо А.И., Чумбаев А.С., Миронычева-Токарева Н.П. Методические рекомендации по определению сроков пребывания земельных участков сельскохозяйственного назначения Новосибирской области в залежном состоянии. Новосибирск : Наука, 2017. 20 с.}

^{2 Практикум по почвоведению / под ред. проф. И.С. Кауричева. М. : Колос, 1973. 279 с.}

^{3 Шеин Е.В. Курс физики почв. М. : Изд-во Моск. ун-та, 2005. 432 с.}

About the authors

German F. Miller

Institute of Soil Science and Agrochemistry, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences

Email: miller_1981_gf@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-9193-0155
SPIN-code: 2780-8541

Candidate of Biological Sciences, Senior Researcher, Laboratory of Soil Physical Processes

8 Akademika Lavrentieva ave., bldg. 2, Novosibirsk, 630090, Russian Federation

Darya A. Filimonova

Institute of Soil Science and Agrochemistry, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: dafilimonova_issa@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-1917-1681
SPIN-code: 3530-0716

Junior Researcher, Laboratory of Soil Physical Processes

8 Akademika Lavrentieva ave., bldg. 2, Novosibirsk, 630090, Russian Federation

Anna N. Bezborodova

Institute of Soil Science and Agrochemistry, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences

Email: bezborodova@issa-siberia.ru
ORCID iD: 0000-0003-3341-3859
SPIN-code: 1812-5308

Candidate of Biological Sciences, Senior Researcher, Laboratory of Soil Physical Processes

8 Akademika Lavrentieva ave., bldg. 2, Novosibirsk, 630090, Russian Federation

Sergey V. Solovyev

Institute of Soil Science and Agrochemistry, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences

Email: solovyev_issa@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-8364-9486
SPIN-code: 3880-8588

Candidate of Biological Sciences, Senior Researcher, Laboratory of Soil Physical Processes

8 Akademika Lavrentieva ave., bldg. 2, Novosibirsk, 630090, Russian Federation

References

Supplementary files