Серые лесные почвы Волжско-камской лесостепи: количественный подход к классификации

Размещено на http://www.allbest.ru/

Актуальность темы. Почвенный покров нашей планеты в настоящее время так изменен, что естественные процессы почвообразования и эволюции почв можно наблюдать лишь в тундре, лесах и ряде пустынь. Учитывая, что тундровые и пустынные почвы формируются в экстремальных климатических условиях и располагаются обычно на труднодоступных территориях, можно принять, что именно лесные почвы - то естественное множество почв, которое обеспечивает оптимальные возможности изучения их генезиса и эволюции, а также в полном объеме их экологические функции (Карпачевский, 2003; Добровольский, 1993, 2000). Сохранившиеся естественные почвы являются «природным банком», используя которые возможно в будущем наиболее эффективно вести научные поиски путей восстановления антропогенно изменённых ландшафтов (Климентьев, 2003 Никитин, 2010).

В настоящее время Республика Татарстан (РТ), входящая в ландшафтную зону Волжско-Камской лесостепи, является одной из самых аграрно-освоенных территориально-административных единиц Поволжья. Распаханность сельхозугодий по республике составляет в среднем 77%. В антропогенно- преобразованных ландшафтах РТ серые лесные почвы занимают 37% территории, что составляет 43% от общей площади пашни (Госдоклад, 2012).

Изучение естественных представителей серых лесных почв приобретает в связи с этим актуальность в двух аспектах. Во-первых, эти почвы являются отражением существующей естественной зональной среды лесостепи и современного процесса лесостепного почвообразования. Во-вторых, в связи с высокой аграрной освоенностью территории актуальным становятся инвентаризация, создание объективных образцов - виртуальных образов серых лесных почв, выбор контрольных объектов репрезентативно их представляющих.

Цели и задачи исследований. Цель работы - систематизация накопленных данных о свойствах серых лесных почв Волжско-Камской лесостепи с описанием таксономических единиц в виде виртуальных образов и обоснование на базе этих образов количественных критериев обособления таксонов. серый лесной почва таксон

В задачи исследования входило:

Научная новизна. На базе собственных исследований, обобщения фондовых и литературных данных предложены объективные критерии диагностики серых и темно-серых почв Волжско-Камской лесостепи. Показано, что в пределах диапазона, задаваемого широтной климатической средой, ведущую роль в дифференциации почв играют литологические особенности почвообразующих пород, главным образом их гранулометрический состав и положении почв в рельефе.

Впервые построены функции, определяющие таксономическое положение естественных и антропогенно-преобразованных серых лесостепных почв применительно к классификационным системам 1977 и 2004 годов, которые могут использоваться в исследовательских работах.

Показано, что удаление органического вещества из подготовленных к анализу образцов почв уменьшает содержание физической глины на 3 - 6%. Подготовка образца почв для гранулометрического анализа с использованием стандартной методики, применительно к серым лесным почвам Волжско-Камской лесостепи, не приводит к полному разрушению микроагрегатов размером 0,005-0,001 мм. После удаления органического вещества и карбонатов микроагрегаты распадаются, а продукты их распада пополняют илистую компоненту.

Теоретическая и практическая значимость работы. Представляемые результаты исследований обобщают и дополняют существующие представления о свойствах серых лесных почв. Предложенные критерии обособления серых лесостепных почв могут быть использованы для изучения и систематики почв, решения практических задач землепользования, создания региональной почвенной базы и проектах экологической оптимизации территории.

Защищаемые положения.

1. Использование числовых методов классификации статистически обосновано и позволяет выделить критерии диагностики почв, согласно классификации 2004 и 1977 года.

Вклад автора. Автор принимал участие в поиске архивных данных естественных серых лесных почв, разработке маршрутов, организации и практическом осуществлении экспедиций по исследованию серых лесостепных почв. Результаты, составляющие содержание диссертации, получены автором самостоятельно. Он также лично проводил экспериментальные исследования, обрабатывал, интерпретировал и обобщал полученные результаты.

Научному руководителю принадлежит разработка концепции решаемой проблемы и постановка задач исследования.

Апробация работы. Материалы диссертации представлялись на Международной научной конференции «Ресурсный потенциал почв - основа продовольственной и экологической безопасности России» (Санкт-Петербург, 2011); на Международной научной конференции посвященной 85-летию М.Г. Танзыбаева «Почвы Хакасии, их использование и охрана» (Абакан, 2012); на Всероссийской с международным участием научной конференции «Почвы России: современное состояние, перспективы изучения и использования» (Петрозаводск - Москва, 2012); на VI Всероссийской научно-практической конференции «Аграрная наука в XXI веке: проблемы и перспективы» (Саратов,2012); на итоговых конференциях К(П)ФУ (Казань, 2011, 2012); на Всероссийской научно-практической конференции «Повышение конкурентоспособности АПК в условиях инновационного развития» (Казань, 2012), на Всероссийской научной конференции «Почва как базовый компонент наземных экосистем» (Новосибирск, 2013); на Международной научной конференции «Наследие И.В. Тюрина в современных исследованиях в почвоведении» (Казань, 2013).

Публикации результатов исследования. По теме диссертации опубликовано 14 работ из них 2 в реферируемых журналах.

Структура и объем работы. Диссертация общим объемом 136 страниц состоит из введения, 7 глав и выводов. Список литературы включает 197 источника, в том числе 38 иностранных. Работа включает 41 рисунка, 19 таблиц и 4 приложений.

Благодарности. Выражаю глубокую благодарность научному руководителю д.б.н., профессору Г.Ф. Копосову за советы и помощь в написании работы. Выражаю искреннюю благодарность к.б.н. н.с. Института проблем экологии и недропользования АН РТ А.Б. Александровой за предоставление архивных данных пахотных серых лесных почв кадастрового центра «Земля», постоянную поддержку и помощь в написании работы. Н.М. Матвеевой за помощь в проведении полевых исследований, советы и рекомендации. Автор благодарит сотрудников кафедры почвоведения К(П)ФУ к.б.н. Б.Р. Григорьяна, д.б.н. профессора А.А. Шинкарева, к.б.н. К.Г. Гиниятуллина, к.б.н. Е.В. Смирнову за внимание, советы и замечания.

1. Обоснование образов таксонов серых и темно-серых почв

Путем обобщения фондовых материалов кафедры почвоведения КФУ (КГУ), данных опубликованных в открытой печати (Александрова 2012; Винокуров 1962; Газизуллин 1972, 2005; Захаров 1974, 2004, Тюрин 1935а; Иванова 1968; Шакиров 1982) и авторских данных был создан реестр данных из 118 разрезов серых лесных почв, систематизированных согласно классификации 1977. Обработка полученных данных статистическими методами реализовалась с использованием пакетов программ StatGraphics Plus, Statistica 8.0 и Excel 2007.

С целью сравнения подтиповых свойств серых лесных почв использовали критерий Стьюдента (для параметрических выборок) и критерий Уилкоксона (Манна-Уитни) (для непараметрических выборок), при вероятности 99%.

Классификационная структура серых лесных почв исследована апробированными методами численной классификации (Пак, 1974; Рожков, 1984, 1987, 1988, 1989, 2011, 2012; Копосов, 2004; Шишов, 1985; Duning, 1986; Gruijter, 1977; Rodrigues de Lima, 2008; Anderson, 1971; Moore, 1972). Для нахождения информативных показателей использовался метод главных компонент (ГК). Для описания совокупности серых лесных почв использовался дискриминантный анализ (ДА). После установления модели и получения дискриминантных функций (ДФ) строились функции классификации (ФК), рекомендуемые для классифицирования новых объектов. Каждая функция позволяет для каждого образца и для каждой совокупности вычислить его классификационный вес (КВ), который рекомендуется учитывать при отнесении вновь определяемых объектов в ту совокупность, для которой характерен наибольший КВ.

2. Морфологическая и физико-химическая характеристика почв

Путем обобщения данных морфологического строения серых лесных почв с использованием показателей статистики был разработан схематический профиль светло-серых, серых и темно-серых лесных почв Волжско-Камской лесостепи (рис.1).

Гумусовый горизонт светло-серых лесных почв светло-серого цвета, со слабо выраженной комковатой структурой, мощностью от 13 до 23 см. Для серых лесных характерен гумусовый горизонт серого цвета, комковатой структуры, мощностью от 10 до 23 см. Гумусово-аккумулятивный горизонт темно-серых почв достигает мощности 38 см и имеет зернисто-комковатую структуру.

Переходный горизонт ВА2, мощностью от 16 до 22 см, характерен для всех светло-серых и серых лесных почв. Окраска его неоднородная, что обусловлено формированием налета по граням структурных отдельностей пылеватых и крупнопылеватых частиц кварца и полевых шпатов с хорошо отмытыми от пленок поверхностями. В темно-серых почвах горизонт АВ отличается темно-серой окраской, иногда при высыхании видна белесая присыпка.

Иллювиальные горизонты серых лесных почв желтовато-бурого или красновато-бурого цвета, ореховатой и призмовидно-ореховатой структуры, с белесой присыпкой, затеками гумуса и пленками окислов железа. В светло-серых и серых лесных на глубине 140 см сменяются материнской породой. На шлейфах, спускающихся в долины рек, на глубине 100-120 см могут подстилаться аллювиальными отложениями. Темно-серые почвы характеризуются среднемощным профилем с глубиной залегания нижней границы в среднем 112 см.

Мощность профиля светло-серых и серых лесных почв определяется положением в рельефе. На повышенных элементах рельефа и склонах доминирующих высот профиль почв отличается меньшей мощностью (от 110 до 120 см), что было показано в работах авторов (Урусевская, 1992; Винокуров, 1962; Газизуллин, 1995).

Гранулометрический состав. Характерная для серых лесных почв текстурная дифференциация профиля прежде всего определяется гранулометрическим составом (ГС) почвообразующих отложений, с которым связано закрепление органического вещества (ОВ) и создание наиболее благоприятной почвенной структуры (Качинский, 1965, Шеин, 2009, 2005, Кершенс 1992; Ванюшина, Травникова, 2003; Артемьева 2010). Следовательно, первым этапом анализа являлось исследование совокупности почв по ГС.

Содержание физической глины в гумусовом горизонте совокупности серых лесных почв изменяется от 20,3 до 66,2%, причем от 4,3 до 37,4 % её приходится на илистую фракцию (рис.1-I). Светло-серые почвы, в сравнении с другими подтипами, характеризуются неоднородностью в содержании мелкодисперсных частиц.

Низкие значения содержания физической глины (20-26%) наблюдаются в светло-серых лесных почвах (n=5) формирующиеся на перевеянных древнеаллювиальных отложениях рек Волги, Камы и их крупных притоков. Они достоверно отличаются от других представителей светло-серых лесных почв (n=29), сформированных на продуктах выветривания пермских и неогеновых мергелей, по содержанию физической глины (tст = 9,90 tкр = 2,88) и илистой фракции (р=0,016).

Серые лесные почвы формируются на отложениях с содержанием частиц <0,01мм 29-47%, и занимают промежуточное положение, перекрывая диапазон размещения мелкодисперсных частиц как светло-серых, так и темно-серых почв, причем отчетливо тяготея к светло-серым почвам.

Темно-серые лесные почвы обособляются в индивидуально группу. Для них свойственны наиболее высокие значения содержания физической глины (47-67%). Большее содержание глины способствует стабилизации и накоплению ОВ в почвах.

Иллювиальные горизонты по содержанию физической глины достоверно обособляются только в серых и темно-серых почвах (tст=3,13 tкр=2,67) (табл.1).

Таблица 1 Достоверность различия содержания физической глины и ила в горизонтах профиля серых лесных почв (значимые различия выделены жирным шрифтом)

Содержание физической глины в почвообразующей породе от 32 до 73% (рис. 2-II). Достоверно обособляются только светло-серые и темно-серые почвы (р=0,001). Выявленное различие содержания илистой фракции в почвообразующих породах в разных подтипах статистически не значимо (р=0,326). Одной из возможных причин отсутствия значимых различий в содержании мелкодисперсных фракций в почвообразующей породе является вертикальная неоднородность пород пермской системы, которые представлены чередованием в вертикальном направлении известняков, мергелей, глин.

Зависимость результатов определения ГС почвы от способов подготовки образцов почв к анализу. Для определения вклада ОВ на результаты определения ГС почв исследован ГС серых лесных почв РТ методом седиментометрии. Пробоподготовка образцов осуществлялась согласно общепринятой методике в России (Шеин, Карпачевский, 2007) и по международному стандарту (ISO 11277), включающий удаление в образцах ОВ и карбонатов.

Первоначально были проанализированы только гумусовые горизонты серых лесных почв (от супесчаного до тяжелосуглинистого ГС). Удаление из этих образцов ОВ обеспечило снижение общего содержания физической глины на 3-6%. В состав физической глины входит фракция средней пыли, элементные частицы которой частично состоят из кварца и аморфной кремнекислоты. Известно, что они не способны формировать устойчивые связи с ОВ. Вследствие этого наиболее информативным показателем оказалась сумма фракций мелкой пыли и ила, в которых сосредоточивается основная часть ОВ почв. Поэтому удаление ОВ из анализируемого образца почвы наиболее рельефно отражается на относительном содержании элементных частиц, входящих во фракцию <0.005 мм (снижается на 2,7 - 3,9% в светло-серых и серых лесных и на 4,2 - 5,8% в темно-серых лесных почвах). Удаление ОВ из образцов не повлияла на результаты определения классификационной принадлежности исследованных почв.

В профильном распределении мелкодисперсных фракций, полученных путем сжигания ОВ, наибольшие изменения наблюдаются во фракции мелкой пыли и ила. В горизонтах после деструкции ОВ, где наблюдалось наибольшее уменьшение фракции мелкой пыли, содержание илистой фракции увеличивалось, по сравнению с традиционной пробоподготовкой. Подготовка образца почв для гранулометрического анализа с использованием стандартной методики не привело к полному разрушению микроагрегатов размером 0,005-0,001мм, которые после удаления ОВ и карбонатов распадаются, а продукты их распада пополняют илистую компоненту. В иллювиальной части профиля частицы меньшей размерности могут быть объединены полуторными оксидами, которые перемещаются из верхней части профиля и аккумулируются в текстурной части преимущественно в форме связанной с ОВ.

Физико-химические свойства. Подтиповое изменение некоторых физико-химичских свойств серых лесных почв представлено в таблице 2.

Таблица 2 Вариабельность физико-химических свойств горизонтов профиля серых лесных почв

Примечание * - свойства в верхних 20см

Достоверные различия в профильном изменении содержании гумуса, обменных оснований и рН водной вытяжки представлены в таблице 3.

Таблица 3 Достоверные различия в профильном распределении некоторых физико-химических свойств серых лесных почв (значимые различия выделены жирным шрифтом).

3. Использование численных методов классификации для идентификации таксонов серых лесных почв

На первом этапе исследования классификационной структуры серых лесных почв (n=80) многомерными статистическими методами построили дендрограмму по 6 свойствам гумусового горизонта: мощность, содержание гумуса, обменных оснований, илистой фракции, физической глины, рН водной вытяжки. Дендрограмма рассчитывалась методом Варда с использованием Евклидового расстояния. На уровне сходства 80% выделились темно-серые почвы, тогда как в одну группу объединились гумусовые горизонты светло-серых и серых лесных почв, внутригрупповое сходство которых 60% (рис.3).

ГК1 сильно коррелирует со значениями содержания гумуса, физической глины, суммы обменных оснований и описывает 72% общей дисперсии признаков. Увеличение числа используемых признаков приводит к снижению дисперсии. ГК2 коррелирует с мощностью гумусового горизонта, описывая 17% дисперсии.

Разброс свойств гумусового горизонта серых лесных почв вдоль оси ГК представлен на рисунке 4. Основная часть серых лесных почв находится в положительной области факторной плоскости ГК1 ближе к светло-серым лесным. Они имеют близкое с ними морфологическое строение (рис.1), но отличаются количественной основой рассматриваемых признаков гумусового горизонта. Близкое расположение в отрицательной области с темно-серыми лесными почвами связано с формированием их на более тяжелых почвообразующих породах по сравнению с большинством представителей серых лесных почв. Характеризуются повышенным содержанием гумуса (7,03-7,80%) и обменных оснований (27-35 ммоль/100г). Основным препятствием к отнесению их в состав темно-серых лесных почв является малая мощность гор. А1 (от 14 до 18 см) и наличие гор. А1А2 с обильной белесой присыпкой.

Близость морфологического строения, дифференциации профиля, отсутствие статистических различий профильного распределения мелкодисперсных частиц, гумуса, значений рН, а также близкое расположение на факторной плоскости суммарной вариации почвенных свойств горизонта А1 показывает возможность объединения светло-серых и серых лесных почв в тип серые почвы и рассмотрения созданной совокупности в составе классификации 2004 г.

Путем обобщения данных морфологического строения профиля выделенных подтипов и статистической обработки нижних границ их горизонтов созданы виртуальные образы серых и темно-серых почв Волжско-Камской лесостепи (табл.4)

Таблица 4 Показатели строения профиля виртуального образа серых и темно-серых почв (глубины залегания нижних границ горизонтов)

Примечание. М - среднее арифметическое, S - стандартное отклонение, V - коэффициент вариации, n - количество наблюдений. Для непараметрических данных используется медиана - * и межквартильный размах - **

Достоверные различия в гумусовом горизонте серых и темно-серых почв были обнаружены в содержании гумуса (р=9,47•10^-12), обменных оснований (р=6,65•10^-10), содержании илистой фракции (р=0,000), содержании физической глины (р=2.03•10^-9), кислотности (tст=3,91 tкр=2,63), а также мощности гумусового горизонта (р=0,000), мощности выщелоченной толщи (до горизонта С) (р=0.0035) и запаса гумуса в метровой толще (т/га) (tст=4,89 tкр=2,98).

Для численной классификации гумусового горизонта серых лесных почв по классификации 1977 г. и 2004 г. использовался ДА. По классификации 1977 г. имеются две значимые ДФ. Первая ДФ ответственна за 86% дисперсии и коррелирует с содержанием гумуса (р=0,00), обменных оснований (р=0,00) и физической глины (р=0,02). Вторая ДФ определяет оставшиеся 14% дисперсии и коррелирует с мощностью гумусового горизонта (р=0,00). ФК имеют вид:

S1 = -0,04х1 + 0,64х2 + 2,26х3 + 1,00х4 - 24,43

S2 = 0,30х1 + 0,75х2 + 3,60х3 + 0,75х4 - 37,80

S3 = 0,35х1 + 0,90х2 + 4,87х3 + 1,42х4 - 69,81

S1 - совокупность светло-серых лесных почв, S2 - совокупность серых лесных почв, S3 -совокупность темно-серых лесных почв; х1 - сумма обменных оснований, х2 - содержание физической глины, х3 - содержание гумуса, х4 - мощность гумусового горизонта.

Результаты анализа ДФ по классификации 2004 года показывают уменьшение достоверных переменных, которые позволяют проводить дискриминацию между типами серых и темно-серых почв. Так как сравнение происходит между двумя типами, то имеется только одна ДФ, которая коррелирует с мощностью гумусового горизонта (р=0,00), содержанием гумуса (р=0,00) и физической глины (р=0.02), определяя 100% дисперсию. ФК имеют следующий вид:

S4 = 1,02х1 + 1,69х2 + 0,49х3 - 22,51

S5 = 1,68х1 + 3,13х2 + 0,63х3 - 52,87

S4 - совокупность серых почв, S5 - совокупность темно-серых почв; х1 - мощность гумусового горизонта, х2 - содержание гумуса, х3 - содержание физической глины.

4. Размещение реальных представителей виртуальных образов в ландшафте

Для выявления связи строения профиля, свойств почв и факторов почвообразования исследовался ландшафтный профиль в направление от водораздела р. Камы и р. Брысса к местному базису эрозии. Исследуемый участок Янтыковского леса находится в пределах Лаишевского района РТ. На территории Янтыковского леса были заложены 7 разрезов. На рисунке 5 представлен схематический профиль, демонстрирующий топографический разрез исследуемого ландшафта, изображенный с использованием программы Global Mapper 14.

Исследованный участок характеризуется близким к поверхности залеганием коренных пород пермской системы татарского яруса, состав которых представлен чередованием мергелей и известняков. Первый разрез был заложен в верхней части склона СВ экспозиции (абс. высота 171,0 м), паровое поле. Элювий пермских пород, свободный от обломков коренной карбонатной породы, обнаруживается на глубине от 40 см. Здесь на остаточных продуктах выветривания коренной породы формируется агротемногумусовая глинисто-иллювиированная почва (рис.5, разрез 1).

На вершине водораздела (абс. высота 182,4 м и 194,2 м), где мощность остаточных продуктов выветривания коренной породы превышает 80 см, развивается серая типичная насыщенная мелкая глубокоосветленная сильно выщелоченная тяжелосуглинистая почва на элювии пермских отложениях, представляемая на рисунке 5 разрезам 2 и 3.

В средней части заложенного ландшафтного профиля мощность продуктов выветривания пермских мергелей колеблется в пределах от 100 до 120 см, ниже которых залегают песчаные отложения, по-видимому, того же возраста. Здесь на абс. выс. 134,8 - 146 м формируются серые типичные насыщенные мелкие неглубокоосветленные сильно выщелоченные тяжелосуглинистые почвы (рис.5, разрезы 4, 5 и 6).

В нижней части ландшафтного профиля (абс. выс. 121,1 м) аккумулированы мощные толщи перемещенных продуктов выветривания верхнепермских мергелей. Этот уплощенный элемент самой краевой зоны водораздельной поверхности распахивается и на нем формируется агросерая насыщенная среднепахотная сильно выщелоченная тяжелосуглинистая на делювиальной глине представленная на рисунке 5 разрезом 7.

Строение профиля серых почв разрезов 2 и 6 изученного участка широколиственного леса отвечает распространенным в пределах исследуемого региона представителям серых почв. Гумусовые горизонты этих почв имеют приблизительно одинаковое содержание мелкодисперсных фракций.

Пространственное колебание современных условий формирования и облика серых почв, исследованного профиля, обусловлено топографическим фактором. Пониженные участки получают дополнительную влагу благодаря притоку ее сверху. Избыток влаги усиливает миграционные процессы (больший вынос мелкодисперсных фракций и оснований из профиля серых почв). В результате формируется гумусово-элювиальный горизонт, где наряду с ореховатой структурой появляются непрочно-плитчатые агрегаты (разрез 6).

Реальные и переходные представители виртуальных таксонов. Для поиска и выбора виртуального образа в естественных условиях были заложены 15 разрезов естественных почв. Используя виртуальный образ, в качестве типового стандарта, из всех заложенных разрезов были выбраны по одному представителю серых и темно-серых почв с наиболее сходным с виртуальным образом строением профиля (табл. 4).

Реальный представитель образа серых почв (разрез 12, рис. 6) расположен на территории Янтыковского лесного массива, в Лаишевском районе РТ (N55⁰36.938ґ; E49⁰37.481ґ, абс. высота 182 м). Залегание нижних границ горизонтов приближаются к значениям виртуального образа серой почвы (рис. 6, табл. 4).

Почва серая типичная насыщенная мелкая неглубокоосветленная сильно выщелоченная тяжелосуглинистая на элювии пермских отложений. Гумусовый горизонт характеризуется средним содержанием гумуса (4,96%) и повышенным содержанием обменных оснований (18,5 ммоль/100г). Реакция среды верхнего горизонта среднекислая. В текстурной части профиля реакция среды очень сильнокислая, в основном за счет обменного водорода (2,46 ммоль/100г) и алюминия (0,40 ммоль/100г). На глубине 40-60 см находится горизонт максимального содержания тонкодисперсных фракций. Кутаны по мере приближения к карбонатным материнским породам становятся темнее. Локальное вскипание в местах скопления карбонатов отмечается с глубины 107 см.

Профильное изменение содержания гумуса, обменных оснований и актуальной кислотности в реальном представителе совпадают со среднестатистическими величинами виртуального образа (рис. 7). Это позволяет сделать предположение, что наиболее близкое морфологическое строение профиля серой почвы к статистическому образу характеризуется свойствами, приближенными к его средним величинам.

Представитель образа темно-серой почвы (разрез 16) расположен на территории Билярского лесхоза Алексеевского района РТ (N 54⁰54.584ґ; Е 50⁰33.985ґ, абс. высота 175м) (рис. 8).

Почва типичная насыщенная средне мелкая средне выщелоченная тяжелосуглинистая на карбонатной глине. Иловато-крупнопылеватый тяжелосуглинистый гумусовый горизонт (23 см) обладает комковато-зернистой структурой, высоким содержанием гумуса (8,5 % в верхнем 15 см) и очень высоким содержанием обменных оснований (37,6 ммоль/100г). Реакция среды верхнего горизонта нейтральная, на глубине 40-80 см средне- и сильно кислая (5,6 - 5,3). В субэлювиальном горизонте (BEL) отмечается белесая присыпка. В нижней части профиля наблюдаются кутаны, которые по мере приближения к материнской породе становятся темнее. Локальное вскипание в местах скопления карбонатов отмечается с глубины 72 см.

Профильное изменение содержания гумуса в реальном представителе приближается к средним величинам рассматриваемого свойства в статистическом образе (рис. 9-1). Содержание обменных оснований и величина актуальной кислотности в гумусовом горизонте также сходны со средними значениями образа темно-серой почвы (рис. 9-2,3). В субэлювиальном и текстурном горизонте сумма обменных оснований и кислотность приближается к крайним лимитам типа темно-серых почв. Кислотность обусловлено в основном присутствием обменного водорода в ППК (0,26 ммоль/100г). Вероятно, источниками обменного водорода в темно-серой почве (разрез 16) служат органические кислоты, в серой почве (разрез 12) в основном органические кислоты. В горизонтах ВС и С данные свойства приближаются к среднестатистическим величинам.

Крайний представитель серой почвы (разрез 2.11), являющийся переходным к дерново-подзолистой почве, был описан в Лаишевском районе РТ на верхней террасе р. Волги (N 55⁰42.919ґ; Е 49⁰10.497ґ абс. высота 85 м) (рис. 10-1). Почва серая типичная ненасыщенная мелкая глубокоосветленная сильно выщелоченная супесчаная на делювиальном суглинке подстилаемая аллювиальными отложениями. Почва характеризуется низким содержанием гумуса (2,8%), крупнопылевато-песчаным легкосуглинистым ГС и низким содержанием обменных оснований (9,5 ммоль/100г). рН верхних горизонтов слабокислая (6,5), нижних - очень сильнокислая (5,3 - 5,5).

На рисунке 10-2А,3А изображены минимальные и средние значения содержания гумуса и обменных оснований в виртуальном образе. Рассматриваемые свойства в профиле серой почвы (разрез 2.11) соответствуют с минимальными значениями эталона, что характеризует его как крайний представитель не только по морфологическому строению, а также и по свойствам (рис.10-2Б,3Б).

Крайний представитель темно-серой почвы (разрез 21) был описан на территории Тархановского лесхоза Тетюшского района РТ (N 54⁰40.918ґ; Е48⁰31.272ґ, абс. высота 123 м) (рис. 11-1). Почва темно-серая типичная насыщенная маломощная сильно выщелоченная тяжелосуглинистая на карбонатной глине. Характерной особенностью морфологического строения профиля является постепенный переход темно-серых тонов верхней части в желто-бурый тон нижней части профиля. Гумусовый горизонт (32 см) обладает хорошо выраженной мелкокомковато-зернистой структурой, иловато-крупнопылеватым ГС, высоким содержанием гумуса (9,8 %) и емкостью катионного обмена (64,7 ммоль/100г). На глубине 20-36 см содержание гумуса резко падает до 3,6 %.

На рисунке 11-2А,3А показаны средние и максимальные значения содержания гумуса и кислотности в виртуальном образе. Рассматриваемые свойства в профиле темно-серой почвы (рис. 11-2Б,3Б) близки к максимальным значениям статистического образа. Таким образом, морфологическое строение профиля находится во взаимосвязи с ГС и свойствами почв. Близкое строение профиля серой и темно-серой почвы к статистическому образу характеризуется свойствами, приближенными к среднестатистическим величинам эталонов.

На основании статистической обработки литературных и авторских данных серых и темно-серых почв Волжско-Камской лесостепи и их пахотных аналогов разработаны оптимизированные лимиты, предназначенные для научно-практических целей (таблица 5). Лимиты могут быть использованы при корректировке полевых материалов, систематизации и каталогизации сведений о почвенном покрове.

Таблица 5 Диапазоны отклонения от средних величин физико-химических свойств горизонтов профиля серых и темно-серых почв и их пахотных представителей.

Примечание * - свойства в верхних 20см

5. Трансформация серых и темно-серых почв аграрным производством

В процессе окультуривания пахотный горизонт приобретает свойства, не характерные природному почвообразованию. Поэтому возникает необходимость в детальной их характеристике, накоплении, систематизации и анализе изменения во времени. Одним из путей мониторинга свойств пахотных почв является сравнение их со свойствами эталона, который необходим для разработки земледельческих технологий поддержания плодородия пахотных земель, основанных на их естественных возможностях.

Для обоснования такого эталона обобщались 237 разрезов неэродированных пахотных вариантов серых лесных почв, полученных из фондовых материалов кадастрового центра «Земля» (бывшего Татарского филиала Волгогипрозема) и литературных данных (Колоскова, 1968; Винокуров, 1962), систематизированных по классификации 1977 года.

На основании подтиповых границ содержания физической глины и ила естественных серых лесных почв предпринята попытка статистического описания их пахотных аналогов. ГК1 наиболее сильно коррелирует со значениями содержания гумуса, обменных оснований и физической глины и описывает 58% общей дисперсии признаков. ГК2 коррелирует с рН солевой вытяжки и описывает 27% дисперсии. Представленное распределение пахотного горизонта в координатах двух ГК показывает, что механическое перемешивание маломощного гумусового горизонта и нижележащего гумусово-элювиального горизонта формирует более облегченную пахотную толщу, группирующуюся в отрицательной области ГК1. Агротемно-серые, характеризуясь более мощным гумусовым горизонтом составляют более компактную группу в положительной области ГК1 (рис.12Б). Поэтому первоначальная систематизация не выявляла четкой группировки свойств пахотного горизонта на оси ГК1 (рис. 12А).

Также была проведена численная классификация пахотного горизонта серых лесных почв по классификации 1977 и 2004 гг. с использованием ДА. По классификации 1977 г. имеются две ДФ, но значимая только первая ДФ (р = 0,00). Она ответственна за 99 % дисперсии и коррелирует с содержанием гумуса (р = 0,00) и суммой обменных оснований (р = 0,00).

Матрица классификации показывает, что наиболее правильно были классифицированы пахотные светло-серые лесные почвы (на 89%). Из 68 представителей пахотных серых лесных почв правильно были классифицированы только 39, что составило 57 % правильных наблюдений. Пахотные темно-серые были правильно классифицированы на 69%. Учитывая большую погрешность определения подтипов согласно систематизации кадастрового центра (25%) ФК не представляются.

Результат анализа ДФ согласно выделенным виртуальным образам серых и темно-серых почв показывает увеличение достоверных переменных, которые позволяют проводить дискриминацию между типами. Имеется одна значимая ДФ, которая коррелирует с содержанием гумуса (р=0,00), обменных оснований (р=0,00) и физической глины (р=0,00), кумулятивная доля которых составляет 100 %. Матрица классификации показывает, что агросерые почвы были правильно классифицированы на 97 %, агротемно-серые на 99 %. Необходимо отметить, что систематизация проводилась по количественным данным содержания физической глины, однако на дискриминацию типов больше внес показатель содержания гумуса.

Рассчитанные ФК, используя данные 237 пахотных горизонтов агросерых и агротемно-серых почв, имеют следующий вид:

S6 = 1,88y1 + 0,41y2 + 1,16y3 - 31,26

S7 = 4,08y1 + 0,67y2 + 1,34y3 - 54,55

S6 - совокупность агросерых почв, S7 - совокупность агротемно-серых почв; y1 - содержание гумуса в пахотном горизонте, y2 - сумма обменных оснований в пахотном горизонте, y3 -содержание физической глины в пахотном горизонте.

Погрешность определения типовой принадлежности агросерых и агротемно-серых почв Волжско-Камской лесостепи по ФК составляет 3%.

Основные направления аграрной трансформации естественных почв. Выявление изменений свойств агросерых и агротемно-серых почв проводилось сравнительно-генетическим исследованием. Разрезы были заложены на однотипных литолого-геоморфологических условиях с их естественными аналогами.

Систематическое известкование серых и агросерых почв нейтрализовала избыточную кислотность и повысило содержание обменных оснований в субэлювиальном и текстурных горизонтах. Наибольшие изменения физических и физико-химических свойств наблюдаются в легко- и среднесуглинистых агросерых почвах. Уменьшение валового содержания фосфора, калия и азота не компенсируется систематическим применением минеральных удобрений. В тяжелосуглинистых и легкоглинистых несмытых агротемно-серых почвах физико-химические свойства изменяются слабее, что связано с их обогащенностью мелкодисперсными частицами и большей буферной способностью к деградационным изменениям.