ІНСТИТУТ ГРУНТОЗНАВСТВА ТА АГРОХІМІЇ

імені О.Н. СОКОЛОВСЬКОГО УААН

Новосад Костянтин Богданович

УДК 631.445:[631.445.4:633]

ЕВОЛЮЦІЯ ЧОРНОЗЕМІВ ТИПОВИХ ГЛИБОКИХ

ПІВДЕННО-СХІДНОГО ЛІСОСТЕПУ УКРАЇНИ

ПІД РІЗНИМИ ФІТОЦЕНОЗАМИ

06.01.03 – агрогрунтознавство і агрофізика

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата сільськогосподарських наук

Харків – 2001

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Харківському державному аграрному університеті імені В.В.Докучаєва, Міністерство аграрної політики України

Науковий керівник – доктор сільськогосподарських наук, професор Тихоненко Дмитро Григорович, Харківський державний аграрний університет імені В.В.Докучаєва, проректор з навчальної роботи.

Офіційні опоненти:

доктор сільськогосподарських наук, професор Канівець Віктор Іванович, Інститут сільськогосподарської мікробіології УААН, головний науковий співробітник лабораторії біологічного перетворення сполук азоту та фосфору в грунтах.

доктор сільськогосподарських наук, професор Кізяков Юрій Євгенович, Кримський державний аграрний університет, завідувач кафедри грунтознавства і охорони природи.

Провідна установа

Національний аграрний університет, кафедра грунтознавства і охорони грунтів, Кабінет Міністрів України, м. Київ.

Захист відбудеться “ 22 ” травня 2001 року о 10 00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.354.01 в Інституті грунтознавства та агрохімії імені О.Н.Соколовського УААН за адресою: 61024, м.Харків-24, вул. Чайковського, 4.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Інституту грунтознавства та агрохімії імені О.Н.Соколовського УААН за адресою: 61024, м.Харків-24, вул. Чайковського, 4.

Автореферат розісланий “ 19 ” квітня 2001 р.

Учений секретар

спеціалізованої вченої ради _____________________ Павленко О.Ф.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність роботи обумовлена необхідністю вирішення наукової проблеми: еволюції чорноземних грунтів під впливом різних фітоценозів, що має виняткове науково-практичне значення для раціонального використання земель України, особливо при проведенні фітомеліоративних робіт (залуження, залісіння) на площі понад 10 млн. гектарів, які будуть виведені з розряду орних.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Обраний напрямок наукових досліджень пов'язаний з виконанням науково-технічної програми “Охорона і використання родючості грунтів” та теми “Вивчення закономірностей розвитку культурного грунтотворного процесу, еволюції грунтів та підвищення їх природної родючості”, яка виконується на кафедрі грунтознавства Харківського державного аграрного університету імені В.В.Докучаєва (номер державної реєстрації 0100U006031) і актуалізується на сучасному рівні державною програмою “Україна – 2010”, яка розроблена на виконання розпорядження Президента України від 26 лютого 1998 року № 43 та розпорядження Кабінету Міністрів України від 21 вересня 1998 року № 939-р (розділ VІ., підрозділ 6.2 державної тематики).

Мета і задачі дослідження. Мета дослідження полягала в з'ясуванні загальних закономірностей розвитку сучасних процесів грунтотворення в чорноземах типових глибоких під різними фітоценозами (лісовими, степовими), вияві найважливіших змін головних характеристик грунтів, обгрунтуванні їх еволюції, систематики та шляхів раціонального використання. Для досягнення цієї мети були поставлені такі задачі:

? проаналізувати вплив різних фітоценозів (деревних, трав'яних) на розвиток і еволюцію чорнозему типового глибокого шляхом вивчення змін фізичних, хімічних, фізико-хімічних та біологічних показників; ? оцінити меліоративну роль лісових культур на чорноземних грунтах; ? визначити напрямок і характер грунтових процесів в чорноземах під покривом різних лісових культур; ? визначити шляхи раціонального використання чорноземів типових глибоких під різним рослинним покривом.

Об'єктом дослідження є еволюція чорноземів типових Лісостепу України під впливом антропогенного фактора.

Предмет досліджень – фізичні, хімічні, фізико-хімічні характеристики грунтів та їх мікробіологічна і ферментативна активність.

Методи дослідження. Проблема еволюції чорноземів типових глибоких у природних і культурних екосистемах вирішувалася проведенням польових, лабораторних (хімічних) та експедиційних (маршрутних) досліджень грунтів в межах долинних ландшафтів річки Сіверський Донець і поєднувала теоретичні та експериментальні узагальнення на основі системного підходу.

Наукова новизна одержаних результатів. ? Проведені теоретичні узагальнення і вперше запропонована теорія еволюції грунтотворного процесу чорноземів під штучними лісовими фітоценозами, визначене місце лісокультурних таксонів в загальній систематиці грунтів України та здійснений їх класифікаційний поділ на базі елементарних грунтотворних процесів (ЕГП) і біодіагностики, визначені шляхи подальшого раціонального використання. ? Виявлені напрямки підвищення родючості лісокультурних грунтів (виділено новий підтип “чорноземи лісові”) за рахунок зростання гумусу, акумуляції обмінного кальцію, покращання фізичного стану, збільшення кількості поживних речовин та зниження темпів мінералізації органічних решток в грунтах. ? Вперше показано, що зольність лісового опаду залежить не тільки від материнських порід (як рахувалось), але і від типа грунтів, а звуження співвідношення Са:Мg в колоїдному комплексі грунтів обумовлено складом зольних елементів у рослинному опаді. ? Введений новий діагностичний показник “коефіцієнт мобілізації азотних сполук”.

На захист виносяться такі основні питання: ? – характер еволюції грунтотворного процесу під впливом різної рослинності; ? – фізичні, хімічні, фізико-хімічні характеристики грунтів, їх мікробіологічна та ферментативна активність в різних геоекосистемах; ? – елементарні грунтотворні процеси (ЕГП) при антропогенному грунтотворенні; ? – біодіагностика грунтів; ? – класифікаційне положення грунтів, які формуються під лісовими культурами.

Практичне значення одержаних результатів.

·

Особистий внесок здобувача. Автор брав безпосередню участь у розробці програми, методики та у проведенні польових і лабораторних робіт, особисто проаналізував літературні джерела, виконав дослідження фізичних, хімічних, фізико-хімічних характеристик грунтів та їх мікробіологічної і ферментативної активності, а також зробив статистичну обробку експериментальних даних, аналіз і узагальнення одержаних матеріалів. Підготував і опублікував 8 наукових праць (одна в співавторстві).

Апробація результатів досліджень. Основні положення дисертаційної роботи викладені й отримали позитивну оцінку на щорічних наукових конференціях професорсько-викладацького складу і аспірантів Харківського державного аграрного університету імені В.В. Докучаєва (1996 – 2001 р.р.), на міжнародній конференції “Питання біоіндикації та екології” (Запоріжжя, 1998), на міжнародній науково-виробничій конференції “Проблеми землеустрою, земельного кадастру та екології навколишнього середовища в умовах здійснення земельної реформи” (Харків, 1999).

Публікації. За матеріалами досліджень опубліковано вісім наукових праць, із них п'ять статей в фаховому виданні ВАК.

Обсяг і структура дисертації. Дисертаційна робота викладена на 238 сторінках комп'ютерного тексту, складається зі вступу, аналітичного огляду літератури, п'яти розділів, висновків та пропозицій виробництву, списку використаних джерел з 280 найменувань, має 63 рисунки, 8 таблиць, 49 додатків.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Аналітичний огляд літератури. В розділі узагальнюються літературні дані стосовно розвитку грунтотворного процесу в орних землях та під покривом лісових насаджень (різних культур). Проаналізовані джерела щодо розвитку чорноземів в культурних екосистемах віддзеркалюють суперечливість підходів різних дослідників до вирішення проблеми їх формування. Одні дослідники розглядають сучасний (рецентний) розвиток чорноземів орних як природне грунтотворення, інші, навпаки, доводять, що розвивається особливий культурний процес грунтотворення, треті трактують генезу сучасних грунтів як поєднання природного та культурного (агрокультурного) грунтотворення.

Щодо питання розвитку чорноземів при їх залісінні, тут теж немає одностайності у поглядах. Коржинський (1881), Степанов (1932, 1937), Ткаченко (1939), Вільямс (1948) вважають, що відбувається деградація грунтів (під лісовими культурами вони розвиваються за підзолистим типом грунтотворення). На думку інших (Тумін, 1930; Роде, 1955; Зонн, 1964; Травлєєв, 1972, 1988; Адеріхін, 1983; Тихоненко, 1990; Бєлова, 1995, 1997), під лісовими культурами протікає чорноземний (акумулятивний) процес грунтотворення.

Суперечливість у трактуванні цієї проблеми спонукала нас до вивчення особливостей еволюції грунтів в природних і культурних екосистемах, визначення суті їх генези, з метою прогнозування подальшого розвитку та раціонального використання.

Характеристика об'єкта і методів досліджень. Для дослідження конкретних грунтів були вибрані два типових для південно-східного Лісостепу України стаціонари. Роганський стаціонар (Харківська обл., Харківський р-н) був закладений у 1946 р. під керівництвом професора О.М.Грінченка. Тут панують чорноземи типові глибокі, які більше століття розорювались, а з 1946 р. відведені під переліг (природні трави) та варіанти із зональною системою польових сівозмін. З 1946 р. існує лісосмуга з дубу. Досліджували чорноземи перелогу (розріз 1), чорноземи орні (розріз 2), чорноземи під дубом – в лісосмузі (розріз 3). Для досліджень включили також чорноземи типові глибокі, які розорювалися до 1972 р., а після закладення дендропарку ХДАУ імені В.В. Докучаєва почали формуватися під покривом насаджень модрини, берези, сосни та під куртиною трав. Тут і заклали розрізи. Відповідно до геоморфологічного районування території України Роганський стаціонар розташований у підпровінції “Палеогенова рівнина” на південно-західній окраїні Середньоруської височини (Цись, 1962). Землекористування знаходиться в басейні річки Уди в межах її четвертої тераси. Загальний характер рельєфу рівниннохвилястий. Місцевість перетинається глибокою і широкою долиною річки Роганки і балками, що відкриваються до неї.

Скрипаївський стаціонар розташований в долині р. Сів. Донець, між містами Чугуїв і Зміїв, в південно-східній частині Харківської області, в межах Скрипаївського учлісгоспу Харківського ДАУ. Долина тут досить типова для лісостепових річок. Вона асиметрична: правий берег високий і крутий, розчленований балками на міжбалочні вододіли, вкриті дубово-липовими лісами; лівий берег терасований, з комплексом сучасних і давніх терас, ширина терасованої долини досягає 50 км. В межах Скрипаївського стаціонару вивчали такі грунти природних геоекосистем: примітивні (розріз 8), дернові слаборозвинені (розріз 9) борового комплексу, гідроморфні заплавні (розріз 10), автоморфні сірі опідзолені правого корінного берега (розріз 11) які слугували контрольним варіантом природних грунтів.

У дисертації описуються клімат, геологія та грунтотворні поріди досліджуваних об'єктів, а також наводиться детальна характеристика рослинного та грунтового покриву обох стаціонарів.

Методи досліджень. Для вирішення поставлених задач вивчали фізичні, хімічні, фізико-хімічні показники грунтів та їх мікробіологічну і ферментативну активність. Індивідуальні зразки відбиралися по профілю грунтів за загальноприйнятими методами (Арінушкіна, 1962; Орлов, Грішина, 1981; Хазієв, 1990; Звягінцев, 1991) та Держстандартами. У відібраних зразках вивчали гранулометричний та мікроагрегатний склад грунтів (Качинський, 1958); польову вологість, повну (ПВ), капілярну (КВ) і максимальну гігроскопічну (МГ) вологоємності (ваговий метод) у чотирикратній повторюваності; щільність твердої фази – пікнометричним методом, а щільність грунту у зразках з непорушеним складом – за допомогою кільця Качинського ємністю 100 см3 у чотири-п'ятикратній повторюваності; загальну шпаруватість і шпаруватість аерації встановлювали з урахуванням щільності твердої фази та щільності грунту розрахунковим методом (Гречин, Кауричев та ін., 1964); структурно-агрегатний склад – методом Савинова, (Александрова, Найдьонова, 1967); обмінно-поглинуті катіони Na+ і К+ (полуменева фотометрія), Са2+ і Мg2+ – комплексометрично, ємність поглинання грунтів – універсальним методом Захарчука (Петербургський, 1968); актуальну і обмінну кислотність (потенціометрично), гідролітичну кислотність – за Каппеном; загальний гумус – методом І.В.Тюріна, 1966), а груповий склад – за В.В.Пономарьовою і Т.А.Плотніковою (1980) та М.М. Кононовою і Н.П. Бельчиковою (1961, 1965), коефіцієнт реакційної здатності гумусу – за М.І.Лактіоновим (1973).

Надземну масу трав'яної рослинності та листяного опаду вивчали на ділянках розміром 50 х 50 см у трьох повторюваностях. Для визначення кількості золи та її складових частин рослини спалювали сухим способом у муфельній печі (темно-червоний жар). Для видалення домішок сиру золу розчиняли у 10% соляній кислоті, відфільтровували і у фільтраті визначали елементи, що входять до складу золи.

Са2+ та Мg2+ визначали комплексометрично, К+ та Nа+ – на полуменевому фотометрі, Сu2+, Zn2+, Pb2+, Mn2+ – атомно-абсорбційним методом на спектрофотометрі “С – 115”, рНводн лісових підстилок – потенціометрично у годинній і добовій пробах.

При вивченні біогенності грунтів чисельність окремих груп мікроорганізмів визначали шляхом висіву грунтової суспензії на щільні живильні середовища. Мікробіологічний висів проводили через добу – у свіжовідібраних зразках, паралельно досліджували зразки грунтів, які зберігалися в лабораторних умовах протягом одного та двох років. Ці зразки, попередньо висушені у затінку та просіяні крізь сито з діаметром отворів 1 мм, тримали в термостаті протягом двох тижнів в умовах оптимальної температури (t = 28 – 32оС) і вологості (60% капілярної вологоємності), потім проводили висів на тверді живильні середовища за стандартними методиками (Звягінцев, 1991; Муха, 1980). Далі по тексту називатимемо їх “реанімованими”.

Для визначення інтенсивності та спрямованості грунтових процесів, які характеризують перш за все поживний режим грунтів, використовували запропонований Д.Г.Тихоненком, В.І.Канівцем (1970), та Л.І Васильєвою, В.Д.Мухою (1980) показник мікробіологічної трансформації грунтової органічної речовини (Пм):

Ферментативну активність грунту визначали за методиками А.Ш. Галстяна (1965) в модифікації Д.Г. Звягінцева (1991), Ф.Х. Хазієва (1990), І.Н. Ромейко (1969).

Отримані дані по фізичній, фізико-хімічній, хімічній характеристикам грунтів і мікробіологічній та ферментативній активності обробляли математично дисперсійним методом з використанням кореляційного аналізу (Доспєхов, 1985), застосовуючи системи електронних таблиць Ехсеl 97 from MS Office 97 Rus Professional на комп'ютері фірми R-LINE з процесором К-6-ІІ-400.

Результати досліджень. Нами визначено, що під різними фітоценозами (культурними степами, перелогом, лісонасадженнями тощо) чорноземи розвиваються за гумусово-акумулятивним типом, але їх фізичні, хімічні, фізико-хімічні та інші показники мають певні особливості. Зазначимо, що лісова рослинність (дуб, береза, сосна, модрина) не впливє деградуюче на грунт, але розглянемо послідовно конкретні показники.

Гранулометричний склад по профілю чорноземів всіх варіантів використання практично не змінюється по профілю грунту, що характерно для гумусово-акумулятивного процесу грунтотворення.

Структурність чорноземних грунтів під лісовими культурами є дуже високою: коефіцієнт структурності коливається в межах 3,8 – 9,0 проти 1,7 для чорнозему ріллі. Вміст агрономічно цінних агрегатів (рис. 1) для верхнього (0 – 20 см) шару грунту складає 54,5 – 87,1%. У грунті під лісовими культурами вміст агрономічно цінних агрегатів такий: під дубом – 71,9%, під березою – 73,6%, під модриною – 64,0%; під трав'яною рослинністю: 73,2% – галявина, 87,0% – переліг, для порівняння: у грунті ріллі – 57,3%, що свідчить про кращу оструктуреність маси чорноземів під лісонасадженнями та травами.

Рис. 1. Вміст водотривких та агрономічно цінних агрегатів в чорноземі типовому під різним рослинним покривом, %.

Щодо вмісту водотривких агрегатів, то верхній горизонт грунтів під лісовими насадженнями та травами містить 48,4 – 66,4%, а під ріллею – 41,2%. Розпорошеність структури у грунтах під лісом складає тільки 3,2 – 12,1 % проти 36% в орних грунтах.

Коефіцієнт дисперсності як показник потенційної здатності грунтів до структуроутворення відносно невисокий у чорноземах під лісовими насадженнями: 7,4 – 8,0% у верхньому (0 – 20 см) шарі, 7,3 – 7,4% під травами, 9,2% в орних чорноземах. Це дозволяє стверджувати, що чорноземи під штучними лісовими насадженнями та під трав'яною рослинністю мають вищу потенційну здатність до структуроутворення, ніж чорноземи ріллі. Основна маса механічних елементів лісових грунтів перебуває в агрегованому стані.

Отже, під покривом лісових насаджень в чорноземах типових глибоких поліпшується мікроагрегатний і структурний стан, утворюються більш водостійкі структурні агрегати.

Водно-фізичні константи (МГ, ПВ, КВ) у грунтах під лісовими культурами мають більш високі показники, ніж на ріллі.

Величина об'ємної маси (щільності) у всіх грунтах має такі показники: під дубом – 1,13 г/см3; під модриною – 1,22; під березою – 1,29; під сосною – 1,31 г/см3, а на ріллі – 1,40 г/см3. Загальна ж шпаруватість 55,2% – під дубом; 53,4 – 53,5% - під травами і лише 46,0% на ріллі.

Отже, за порівняно короткий період (понад 30 років) лісові насадження на чорноземі виявили значний, але неоднаковий (в залежності від виду лісоутворюючої породи) вплив на фізичні та водно-фізичні властивості грунту. Ці зміни відбуваються з більшою інтенсивністю в зоні ризосфери і виражаються у зменшенні об'ємної маси грунту до глибини 100 – 110 см, що обумовлює підвищення його шпаруватості, повітро- і вологоємності, поліпшення структурного стану та підвищення водостійкості агрегатів.

В процесі грунтотворення формується особливий кислотно-лужний режим грунтів (рис. 2), який впливає на мікробіологічні процеси, умови росту рослинності і напрямок процесів грунтотворення, тобто у грунтах формуються своєрідні кислотно-лужні показники, які визначаються типом рослинності. В цілому для всіх грунтів характерною є нейтральна реакція грунтового розчину (рН водний = 6,8 – 7,5) в шарі 5 – 15 см. Лише в насадженнях сосни грунтовий розчин слабокислий (6,3). Величина рН сольової витяжки приблизно на одиницю нижче рН водного і коливається в межах 5,3 – 6,9: під пологом сосни – 5,3, берези – 5,8, модрини – 6,3, дубу – 6,2, максимальна – під ріллею, перелогом 6,8. Гідролітична ж кислотність у верхніх горизонтах чорноземів під насадженнями дубу і сосни досягає відповідно – 5,3, 5,2, під насадженнями берези – 3,6, у варіантах перелогу та ріллі – тільки 2,8 мг-екв / 100 г. грунту.

Така характеристика свідчить в цілому про тенденцію появи потенціальної кислотності під насадженнями дубу, сосни і берези, що важливо при визначенні подальшої еволюції грунтів.

Характерною рисою типового чорнозему є наявність горизонту скупчення карбонатів, переважно кальцію (до 80%), в меншій мірі – магнію (до 20%).

Вилуговуюча здатність лісових насаджень (рис. 3) найбільш відчутно виявляється у зниженні лінії закипання від НСl - до глибини 37 – 52 см. На ріллі з розвинутим висушуванням грунту карбонати підтягнуті до глибини 37 см, під лісовими культурами вони знаходяться нижче – на глибині 44 – 52 см. При цьому чітко виділяється явне зниження “лінії закипання” під сосною, березою та дубом, де відбувається слабке підвищення кислотності грунтового розчину.

Отже, за 30 років у грунті під насадженнями сосни, берези та дубу відбувається слабкий зсув рН у кислий бік, в зв'язку з чим лінія закипання знижується на 7 – 14 см в порівнянні з орними грунтами (дані для літа 1999 р.).

Разом з тим грунтам, які вивчалися, властивий високий вміст обмінно-поглинутих катіонів у верхній гумусованій частині профілю; у їх складі цілковито панує кальцій. Чорнозем під деревними культурами відрізняється від орного чорнозему як сумою поглинутих Са2+ + Мg2+, так і їх співвідношенням та величиною ємності поглинання. Співідношення Са : Мg у верхньому (0 – 40 см) шарі грунтів складає 4 : 1 під дубом, сосною, модриною та березою, 7 : 1 – під ріллею, 8 : 1 – під перелогом, 9 : 1 – у грунті під галявиною.

Ступінь насиченості грунтів лугами практично повний і коливається від 89 до 98%, істотно не змінюючись під різними культурами. Переважання іонів Са2+ у складі обмінних катіонів, свідчить про панування акумулятивних процесів у грунтах всіх досліджуваних варіантів.

Опад лісових культур представлений переважно листям. Його маса коливається залежно від виду деревної породи та місця її зростання (типу грунту та материнських порід). У варіантах на чорноземі запас підстилки під березою та дубом складає відповідно 8,8 і 14,6 т/га, а під хвойними породами запас значно більший – 17,7 т/га під сосною, 21,2 т/га під смерекою, 49,8 т/га під модриною.

Під сосною на дерновому слаборозвиненому грунті запас підстилки майже такий, як і під сосною на чорноземі, 18,1 т/га, тоді як на примітивному грунті – 47,1 т/га, що, можливо, пов'язане з умовами зростання лісу. Під дубом на сірому опідзоленому грунті запас підстилки теж більший, ніж на чорноземі, – 24,4 т/га. Зольність підстилок (табл. 1) на чорноземах вища, ніж під лісовими насадженнями природних екосистем, і складає: під дубом – 8,47%, під сосною та модриною – 5,61 –5,63%, проти 7,61% під дубом на сірому опідзоленому грунті, 4,2 – 3,95% – під сосною на примітивному та дерновому слаборозвиненому грунтах природних екосистем. Отже, зольність підстилок, склад зольних (хімічних) елементів та їх вміст в підстилках деревних порід на чорноземах за всіма показниками, вищій, ніж у грунтах природних екосистем. Підстилка хвойних порід характеризується в цілому нижчою зольністю в порівнянні з підстилкою листяних порід – дубу (8,47%) та берези (8,21%); 4,89% – під смерекою, 5,61% – під сосною, 5,63% – під модриною. Зольність підстилок залежить як від типу грунтотворних порід, так і від типу грунту. Так, зольність підстилок дубу на чорноземах – 8,47%, а на сірому опідзоленому грунті – 7,61%. Зольність соснових підстилок на піщаних грунтах становить: на примітивному – 4,20%, на дерновому – 3,95%, на чорноземі – 5,61%.

У досліджуваних варіантах з лісових підстилок у грунт найбільше кальцію надходить: на чорноземі під листяними породами 2,08% – 2,03%, на сірому опідзоленому грунті – 1,96%, під хвойними породами – 0,87% – 0,97% незалежно від типу грунту, причому, як і для інших елементів, переважно з активними фракціями (з листям і хвоєю). У складі зольних елементів трав'яних фітоценозів вміст кальцію також високий – 1,32 – 1,33%.

Особливо слід відзначити, що у складі зольних елементів значно представлений Mg2+. Тому співвідношення Са2+ : Mg2+ у складі золи звужується від 4,98 до 2,90, обумовлюючи майже таке ж співвідношення цих катіонів в колоїдному комплексі грунтів.

Накопичення Са в лісовій підстилці у великих кількостях має суттєве значення для трактування розвитку і пояснення причин підвищення родючості грунтів. Са2+ – індикатор гумусово-акумулятивного процесу грунтотворення і “вартовий родючості” (за Соколовським, 1956).

Таблиця 1

Хімічний склад рослинного опаду

Вид рослинного покриву Кількість повторюва-ностей Запас підстилки, т/га рН підстилки рН грунту (0 – 20 см) Вміст чистої золи,%% Запас золи, кг/га Ca2+. Mg2+

1 година 24 години H2O KCl

* Дуб 3 14,6 6,4 6,4 7,2 6,2 8,47 124,0 4,98

* Береза 3 8,8 6,0 6,1 6,7 5,8 8,21 72,4 4,22

* Сосна 3 17,7 5,4 5,4 6,3 5,4 5,61 99,4 3,32

* Модрина 3 49,8 5,8 6,1 7,2 6,3 5,63 280,3 2,91

* Смерека 3 21,2 5,5 5,6 6,2 5,2 4,89 103,7 2,93

* Галявина 3 10,2 5,9 6,1 7,4 6,7 6,60 67,3 3,67

* Переліг 3 15,3 5,9 6,0 7,4 6,8 6,30 96,6 3,67

** Сосна 3 47,1 5,4 5,4 5,3 4,6 4,20 198,0 2,81

***Сосна 5 18,1 5,5 4,7 4,0 4,1 3,95 71,5 2,90

****Дуб 5 24,4 5,5 6,4 6,1 5,1 7,61 185,5 4,24

* на чорноземі типовому; ** на примітивному грунті; *** на дерновому слаборозвиненому; **** на сірому опідзоленому грунті.

Отже, листяні та хвойні лісові підстилки на чорноземах вносять на поверхню грунту не менше біомаси, ніж трави, а запас золи значно вищий у лісових підстилках. Опад лісу багатий на кальцій, калій, магній, що обумовлює акумулятивний тип грунтотворення, хоча відбувається слабе підвищення гідролітичної кислотності (сосна, дуб, береза).

Величина вмісту органічної речовини в зоні ризосфери залежить саме від біологічних особливостей деревних порід, оскільки грунтові умови зростання досліджуваних насаджень є ідентичними.

При співставленні результатів аналізу вмісту загального гумусу під деревними насадженнями і у варіантах трав'яної рослинності та ріллі (контроль) чітко виявляється гумусово-акумулятивна здатність деревних порід. Вміст гумусу в ріллі досить високий – 5,59%, але менший, ніж під насадженнями дубу – 6,92%, при чому не тільки збагачені ним поверхневі шари чорнозему, а й збільшення гумусованості всього його профілю.

Отже, наявність деревної рослинності на чорноземах не зменшує, а навіть збільшує (під насадженнями дубу) вміст гумусу як у верхніх горизонтах, так і на значній глибині по профілю.

Система показників гумусового стану, запропонована Л.О. Гришиною та Д.С. Орловим (1978), дала змогу порівняти основні параметри та властивості гумусу досліджуваних грунтів і визначити, що чорнозем перелогу та чорнозем під дубом – високогумусний (вміст загального гумусу, за І.В.Тюріним, відповідно 6,03 і 6,92%), чорнозем орний – середньогумусний (5,59%), хоч ступінь гуміфікації органічної речовини дуже високий на всіх досліджуваних варіантах і коливається в межах 42,2 – 49,5%, тип гумусу гуматний (Сгк/Сфк = більше 2).

Вміст “вільних” ГК є дуже низьким у всіх варіантах (7,63 – 9,49 % до суми ГК), за винятком дубу, де він складає 21,51 і є низьким.

За даними фракційного складу гумусу, в грунтах панують гумати кальцію, що вказує на гумусово-акумулятивний тип грунтотворення.

Отже, дані про вміст загального гумусу та його фракційний склад в чорноземних грунтах свідчить про те, що за 30 – 50 років зростання лісових культур чорнозем збагатився органічною речовиною гуматного типу, збільшилася ємність поглинання з підвищеним вмістом обмінного кальцію у складі обмінно-поглинутих катіонів, що сприяло акумуляції гумусу, формуванню водостійкої зернистої структури, яка визначає пухкий склад грунтів і високу шпаруватість.

Все вищевикладене дозволяє зробити головний висновок, про те, що під лісовими культурами розвивається гумусово-акумулятивний процес грунтотворення. В той же час під покривом сосни, берези та дубу накопичується обмінний водень.

Таким чином, під деревним покривом формуються грунти особливого типу – “лісополіпшені” – чорноземи лісові (Тихоненко, Величко та ін., 1990; Бєлова, 1997; Адеріхін, Бельгард, Зонн, Крупенніков, Травлєєв, 1983). В них немає ознак опідзолювання, навпаки – лісова рослинність сприяє накопиченню гумусу гуматного типу, поліпшенню фізичних, водно-фізичних, фізико-хімічних характеристик та підвищенню родючості.

Біодіагностика грунтів. Грунтово-біологічні дослідження проводили в однакових природних умовах Лісостепу. Вивчали біологічну активність чорноземів під деревною та трав'яною рослинністю, орних, і варіантів природних екосистем. Досліджували переважно верхній (0 – 40 см) шар, включаючи підстилку, де більш інтенсивно відбуваються процеси грунтотворення під впливом рослинності, листяного опаду, фауни та мікрофлори.

Як показник біологічної активності грунтів, вели облік кількості мікроорганізмів на різних живильних середовищах, вивчали склад безхребетних, активність грунтових ферментів. Дані висіву грунтової суспензії на різні живильні середовища (МПА, КАА, ПГА, ГА, ЕШ) вказують на переважання бактеріальної мікрофлори у підстилці на всіх варіантах.

Співвідношення основних груп мікроорганізмів є відносно стабільними показниками спрямованості грунтотворного процесу і в більшій мірі, ніж кількісний склад, можуть бути індикаторами і надавати інформацію про фактори грунтотворення.

У грунті під лісовими насадженнями сума мікроорганізмів на МПА і КАА складала 8 – 12 млн.клітин/г а.с.г. проти 23 млн./г а.с.г. в чорноземі орному, що вказує на накопичення органічних речовин та, можливо, позитивний баланс гумусу в чорноземах лісових. Це підтверджується і пануванням актиноміцетів – 9,9 тис.клітин/г а.с.г. у грунті ріллі. Тут і найменший (0,54) показник співвідношення кількості мікроорганізмів на МПА та їх кількості на КАА, що свідчить про максимальну інтенсивність мінералізації у грунті ріллі. За інтенсивністю процесів мінералізації у грунтах під лісовими насадженнями можна побудувати такий ряд: дуб (1,87) > береза (2,21) > модрина (2,45) > сосна (2,88), що свідчить про найменшу інтенсивність процесів мінералізації у чорноземі під сосною.

Коефіцієнт мінералізації органічних речовин чорноземів під різним рослинним покривом (МПА / КАА) (Тихоненко, Канівець, 1970; Муха, 1980) має певну динаміку. Найвищим він спостерігається на початку вегетаційного періоду і поступово зменшувався на всіх варіантах, за винятком озимої пшениці, де він був найбільшим влітку. Це пояснюється динамікою надходження рослинних решток. Восени цей показник є найменшим на всіх варіантах і не перевищує одиниці.

Показник мікробіологічної трансформації органічної речовини чітко відображає генетичні особливості чорноземів під різним рослинним покривом і специфіку сільськогосподарського використання грунтів. Під трав'яними фітоценозами він максимальний (39 – 42), під деревними культурами – 16 – 32, мінімальний в чорноземі орному – 13, що також вказує на дефіцит органічних решток.

Дослідженнями встановлено, що в лісових підстилках збільшується кількість грибної мікрофлори, що обумовлює кислотність продуктів розкладу органічних решток. Тому, проведені аналізи водної витяжки із лісових підстилок, мали слабо кислу реакцію (табл. 1).

В серії дослідів, проведених в 1999 році з реанімованими зразками (відібраними в 1996 і 1997 рр.), кількість мікроорганізмів є набагато меншою, ніж у свіжовідібраних зразках, але реанімовані грунти зберігали майже всі закономірності кількості та розподілу мікроорганізмів по профілю грунту. вони також відображають як генетичні особливості, так і вплив гідротермічних умов певного року.

Загальна біогенність реанімованого чорнозему найвища у грунтах під трав'яною рослинністю (переліг – 38,7 млн. / г а.с.г., галявина – 30,8), у грунтах під деревною рослинністю найбільша під сосною – 25,7, під дубом – 23,4, найменша під березою – 14,9 млн. / г а.с.г.

Важливість реанімації грунту полягає в можливості не тільки аналізувати зразки безпосередньо після відбору, а й порівнювати зразки, які відібрані в умовах експедицій і потребують тривалого зберігання. Кількість мікроорганізмів основних груп та основні діагностичні показники у зразках чорноземів, відібраних влітку 1996 та 1997 рр. (галявина, переліг), мають високі коефіцієнти кореляції як між собою, так і по роках відбору зразків – 0,88 – 0,97. Це обумовлено перш за все типом досліджуваного грунту, та майже ідентичними умовами росту рослин.

Співвідношення кількості мікроорганізмів, що розвиваються на багатих живильних середовищах (МПА+КАА), та їх кількості на бідних (ГА+ЕШ) – названий нами коефіцієнтом мобілізації азотного фонду у підстилці, пропонуємо як новий діагностичний показник. Він свідчить, що опад під дубом і березою у варіантах чорнозему та під дубом на сірому опідзоленому грунті високий і коливається від 3,0 до 3,6; а рослинного опаду під сосною на чорноземах, на дерновому слаборозвиненому та примітивному грунтах – низький, (від 1,3 до 1,5). Виділяється варіант чорнозему під модриною (0,9). Останнє свідчить про переробку рослинного опаду хвойних порід переважно оліготрофною мікрофлорою. Отже, для хвойних порід цей коефіцієнт змінюється в межах від 0,9 до 1,5, а під листяними лісами – перевищує 3,0

Знаючи коефіцієнт мінералізації азотних сполук та загальну біогенність, можна зробити висновок, що опад під деревними насадженнями на чорноземі типовому мінералізується інтенсивніше, ніж під деревними культурами природних фітоценозів. Це свідчить про більш інтенсивне поновлення мікробоценозів та їх підвищену здатность до переробки органічних решток у чорноземах лісових, в порівнянні з грунтами природних екосистем.

Коефіцієнт кореляції, розрахований за даними кількісного складу основних груп мікроорганізмів в підстилці деревних культур чорнозему та грунтів природних екосистем – сірого опідзоленого (зростання дубу (паросткового), дернового слаборозвиненого та примітивного (насадження сосни) показує, що він є високим – 0,95 під дубом на чорноземі та на сірому опідзоленому грунті. Це вказує на тісний взаємозв'язок мікробоценозів цих грунтів. Такий же тісний зв'язок існує між біологічною активністю опаду сосни на чорноземах і грунтах борового комплексу – 0,97. Також слід вказати на тісну корелятивну залежність між кількістю гетеротрофів і мікроорганізмів, які асимілюють мінеральні форми азоту. Корелятивний зв'язок біологічних показників опаду дубу та берези на чорноземах – низький – 0,37. Отже, під цими варіантами складаються особливі, властиві для певного опаду мікробоценози.

Видовий склад, кількість і маса мікроартропод, а також характер їх розподілу по профілю грунту є важливими діагностичними показниками стану грунту та напрямку розвитку грунтових процесів (Гіляров, 1965; Сметана, 1993).

На кількісні характеристики колембол впливають товщина і якість підстилки. В наших дослідженнях найвищими ці показники є під перелогом – 7600, сосною – 4400, дубом – 2800, березою – 2400. Найнижчі показники чисельності мікроартропод відзначалися на ріллі, що пов'язано з низькою вологістю грунту, високою температурою, відсутністю рослинного опаду, катастрофічним руйнуванням середовища оранкою. Аналіз кількісних характеристик мікроартропод в чорноземі під різним рослинним покривом вказує на певну залежність фауністичної структури колембол і орибатид від особливостей грунтотворення, віку фітоценозу та його стійкості. До того ж для орибатид визначальними є склад фітоценозу, температура та в певній мірі водний режим.

Елементарні грунтотворні процеси (ЕГП) і класифікаційне положення антропогенних грунтів. Чорноземи, які формуються під лісовими культурами, мають свою індивідуальність, особливо еволюційну. Тому ми підтримуємо думку Д.Г. Тихоненка, А.П. Травлєєва, Н.А. Бєлової про те, що такі грунти краще називати "чорноземами лісовими". Вони, безумовно, займають особливе, але ще не зафіксоване, систематичне положення в класифікаційній ієрархії грунтів України. Згідно з класифікацією грунтів, розробленою М.М. Розовим, О.М. Івановою та ін. (1960, 1977), чорноземи мають чітку класифікаційну ієрархію: тип – підтип – рід – вид – різновидність – розряд. Чорноземи типові, характерні для лісостепової зони України, виділяються на рівні підтипу. Питання про місце чорноземів лісових у класифікації дуже складне, але його можна вирішити тільки на основі учення про елементарні грунтотворні процеси (ЕГП), розробленого І.П.Герасимовим (1973), А.А.Роде (1964, 1967), Б.Г.Розановим (1975, 1983), Д.Г.Тихоненком (1976, 2000).

Згідно з цим ученням, кожному типу грунтів, (а їх на території колишнього СРСР було понад 100), сформованих під впливом макропроцесів – підзолистого, болотного, буроземного, солонцьового, гумусово-акумулятивного, глеєелювіального тощо, притаманний набір конкретних ЕГП. Для кожного типу грунту характерні тільки індивідуальні ЕГП, які формуються під впливом макропроцесів грунтотворення і генетично утворюють тип грунту. Розглянемо набір ЕГП, які формують чорноземи цілинні, орні, лісові, та порівняємо їх з опідзоленими, гідроморфними (лучними) грунтами, які були в центрі наших досліджень.

Для чорноземів цілинних характерні такі ЕГП: гуміфікація та дегуміфікація, взаємодія органічної та мінеральної частин грунту, утворення грунтового розчину, структуроутворення, окисно-відновні процеси, формування повітря грунту, акумуляція гумусу та колоїдно–дисперсних мінералів, утворення CaCO3 <--> Ca(HCO3)2 та їх псевдоміцелію (окарбоначення).

При формуванні чорноземів лісових виділяються такі ЕГП: підстилкоутворення, гуміфікація в підстилці, гуміфікація та дегуміфікація в грунті, формування кислотності, знекарбоначення, взаємодія органічної та мінеральної частин грунту, структуроутворення, окисно-відновні процеси (ОВП), формування повітря грунту, утворення грунтового розчину, акумуляція гумусу та колоїдно-дисперсних мінералів, а далі, можливо, і кислотний гідроліз.

Як бачимо, при утворенні лісових чорноземів з'являються нові ЕГП: підстилкоутворення, гуміфікація в підстилці, формування кислотності, знекарбоначення, а далі, можливо, і кислотний гідроліз грунтової маси, не характерні для чорноземів типових; вони вносять особливий напрямок у грунтотворення, що, безумовно, визначає іншу, подальшу еволюцію грунту, в порівнянні з чорноземами типовими.

На цьому фоні розглянемо ЕГП сірих опідзолених грунтів, які розвиваються під покривом широколистяних лісів: підстилкоутворення, гуміфікацію за межами мінерального грунту, формування кислотності, кислотний гідроліз грунтової маси, елювіювання, утворення псевдоглею, глинисто-, гумусово-, глинисто-гумусово-ілювіювання, комплексоутворення і хелювізації, структуроутворення, ОВП, формування повітря грунту, тощо. ЕГП елювіальні та ілювіальні, утворюють елювіально-ілювіальний профіль грунтів, що якісно відрізняє їх від чорноземів лісових.

У піщаних і глинисто-піщаних примітивних та дернових грунтах, які розвиваються під покривом соснових лісів, набір ЕГП близький до сірих опідзолених грунтів, але, за даними Д.Г.Тихоненка (1969, 1976, 1983), в них виділяється такий ЕГП, як відбілювання – результат відновної дії органічних кислот, сезонного глею. Це відрізняє ці грунти від типово опідзолених.

Для гідроморфних лучних грунтів поряд з типово-акумулятивними ЕГП, як в чорноземах, характерні також: озалізнення, олуговіння, засолення, оглеєння.

В орних чорноземах виділяються, крім акумулятивних ЕГП, – специфічні: розорювання (агротурбація), внесення меліорантів та добрив, осушення, олуговіння, відчуження рослинної маси; вони переводять чорноземи розорювані в інший тип: агроземи чорноземні (за Д.Г.Тихоненком).

Отже, чорноземи лісові мають відмінні від типових чорноземів ЕГП. Зростання різних лісових культур на чорноземах типових протягом 30 – 50 років – період дуже малий, але він дозволяє прогнозувати подальшу еволюцію типових чорноземів. Підстилкоутворення, як відомо, призводить до формування гумусу особливого складу (різні органічні кислоти) за межами мінеральної товщі грунту. Послідовно наростатимуть процеси формування кислотності грунту, зниження лінії залягання карбонатів кальцію (знекарбоначення) і утворення глибоковскипаючих і вилугованих чорноземів (як у паркових лісах). Тому нам здається, що в типі чорноземів необхідно виділити підтип “чорнозем лісовий” із збереженням відомих підрозділів (таксонів) нижче підтипу: рід, вид, різновидність, розряд.

Цей підтип об'єднає чорноземи, які утворилися під лісами Лісостепу і Степу і не мають ознак опідзолювання. До чорноземів лісових необхідно включити чорноземи паркових лісів, які в класифікації грунтів М.М.Розова, О.М.Іванової (1960, 1977) та інших дослідників розглядаються в підтипі “вилугованих чорноземів”.

Крім макроморфологічної та хімічної діагностики чорноземів типових глибоких, ми продовжуємо пошук шляхів їх біодіагностики, особливо діагностики ЕГП.

Раціональне використання грунтів

Меліоровані грунти піддаються трансформації під дією антропогенного фактора, тому питання про екологічний захист цих грунтів, (йдеться перш за все про аналіз їх властивостей і режимів як середовища існування сільськогосподарських рослин в системі грунт – агрокультура) є, безумовно, одним із важливіших в охороні природного середовища. Це завдання може бути вирішене тільки в тому випадку, якщо будуть розкриті еколого-біологічні особливості грунтів природних екосистем та їх зміни після меліорації (Зайдельман, 1993; Кізяков, 1998, 2001).

Аналіз напрямків розвитку грунтів при зміні характеру їх господарського використання, свідчить про погіршення фізичних, хімічних, фізико-хімічних