1. Условия почвообразования
1.1. Почвообразующие породы
Почвообразующие, или материнские породы — это рыхлые, выветривающиеся горные породы, из которых вследствие развития процессов почвообразования формируются почвы.
Основным процессом в образовании материнских пород является выветривание. Это длительный, сложный и динамичный процесс. Различные скорость и особенности разрушения горных пород приводят к формированию неодинаковых рыхлых материнских почвообразующих пород, отличающихся признаками и свойствами. К ним относятся следующие материнские породы.
Элювий — это продукты выветривания горных пород, оставшиеся на месте образования. В горных районах на склонах элювий представляет собой обломки горных пород, перемешанные с мелкоземом.
Эоловые отложения образуются под влиянием ветра. Это — пески дюн и барханов, бугристые и кучевые пески, рассортированные по механическому составу с неправильной косой слоистостью. Нередко под ним встречаются погребенные почвы [Ачасов, 2006].
Лессы — отложения палевого цвета, карбонатные, неслоистые, пористые, на 70—85 % состоящие из пылеватых частичек, хорошо рассортированные, образуют вертикальные стенки. Наиболее вероятное происхождение лессов — эоловое. Чаще всего встречаются по окраинам пустынь, в условиях засушливого климата в предгорьях.
Делювиальные отложения формируются в нижних частях склонов. Они состоят из материала, снесенного с водоразделов талой и дождевой водой, обычно хорошо рассортированы и, как правило, сложены из более мелких частиц, чем материнские породы, на водоразделах, часто гумусированы. Там, где водоразделы переходят в нижние части склонов, образуются делювиально-элювиальные отложения.
Пролювиальные отложения образуются под влиянием временных грязево-каменных селевых потоков, которые, вырываясь на равнинные участки, растекаются и формируют конусы выноса, состоящие из разнородного обломочного материала. При образовании временных водотоков в оврагах происходит также вынос материалов в широкие долины балок или рек. Эти отложения обычно более или менее сортированы, слоисты, могут быть выделены в природных условиях и называются пролювиально-аллювиальными отложениями оврагов.
Аллювиальные отложения — это отложения постоянно действующих водотоков (рек, крупных ручьев). Долины рек полностью сложены аллювиальными отложениями. Эти отложения легко определяются по следующим признакам: они слоисты, хорошо сортированы по механическому составу (сверху обычно более мелкие, чем снизу), могут содержать включения торфа. Древне-аллювиальные отложения с течением времени изменяются в процессе почвообразования, теряя слоистость [Багаутдинов, 2008].
Озерные отложения образуются на дне озер. Очень часто это тонкие илистые слоистые отложения, нередко перемешанные с органическими остатками, образующие сапропелевый и органический илы и даже торф.
Морские отложения побережий состоят, как правило, из грубообломочного материала, валунов, гальки, хорошо сортированы. Отложения мелких морей — шельфовые отложения (чаше всего песчаные) имеют тонкую слоистость, хорошо сортированы по механическому составу. В дельтах часто образуются песчано-илистые или илистые отложения, сформировавшиеся из морских и речных отложений, насыщенных органическими веществами, железомарганцевыми и фосфоритными новообразованиями. В мелководной части образуются отложения органического и химического происхождений: ракушечники, известняки, соли. На материковом склоне образуются пестроцветные илы и глины, содержащие значительное количество соединений железа, органических веществ и карбонатов. Они всегда засолены и при выходе на поверхность способствуют образованию засоленных почв.
Ледниковые отложения — рыхлые горные породы, перенесенные ледником. Как правило, они не сортированы, неслоисты, имеют разный механический состав — от песков до тяжелых суглинков красного, желтого и красно-бурого цвета. Содержат значительное количество часто грубошлифованных неокатанных камней — валунов различного размера, хрящей, хаотически расположенных линз и прослоек разного механического состава. Отложения могут иметь кислую, нейтральную и слабощелочную реакции [Галеева, 2014].
Флювиогляциальные отложения, образовавшиеся под действием текучих вод ледника, обычно хорошо сортированы, имеют правильную слоистость. Отложения чаще всего имеют песчаный механический состав, но могут быть супесчаными или суглинистыми.
Ленточные глины — это отложения, образовавшиеся в приледниковых озерах. Они хорошо сортированы, имеют правильную слоистость, встречаются в обширных понижениях, часто под торфяными болотами.
К материнским породам относятся покровные и лессовидные суглинки.
Покровные суглинки чаще всего встречаются в зоне распространения морен. Обычно они бурого цвета, плотные, пористые, хорошо сортированы, безвалунные, пылевато-суглинистые, толщиной 1—3 м. В южных районах покровные суглинки карбонатные.
Лессовидные суглинки распространены очень широко. Как правило, они палевые, буровато-палевые, пылеватые, карбонатные, хорошо сортированы, от лесса и покровных суглинков отличаются более тонким механическим составом (в покровных суглинках содержание пылеватых частиц составляет более 60— 70 %). Механический состав — от легких суглинков до глин [Ганжара, 2017].
?
1.2 Особенности климата
Республика Тыва характеризуется значительным распространением рододендроновых сосняков и довольно широким развитием степных участков на выпуклых склонах к широким долинам. По лесорастительному районированию территория отнесена к горно-лесостепному району. Климат относят к резко континентальному и в глубоких котловинах - к у 16 время схода в лесу 10.04 9 Глубина промерзания почвы, см 450 10 Относительная влажность воздуха 69%. Зима продолжительная, суровая. Лето очень теплое короткое. Сухость воздуха и частое безветрие позволяет легко переносить самые сильные морозы.
Зимой в Туве, устанавливается, как известно, наивысшее на земном шаре атмосферное давление (около 778 мм), летом наоборот, атмосферное давление сильно падает, вследствие чего зимнее затишье, сухость и ясность погоды сменяются периодом восточно - азиатского муссона, несущего дождь и пасмурную погоду. Поэтому иногда лето в июле - августе бывает дождливое. Весенние заморозки бывают часто и продолжаются до последующей декады июня, а в первой половине августа уже появляются первые осенние заморозки.
Распределение осадков по сезонам года в процентах к общему итогу составляет: зимой 2 - 3 %, весной 10 - 11 %, летом 67 - 71 %, осенью15 - 18 %. Летние осадки выпадают часто в виде ливней. Ничтожное количество осадков зимнего сезона приводит к малой мощности снежного покрова. Высота снежного покрова обычно не превышает 10 см, что способствует значительному распространению многолетней мерзлоты. Средняя относительная влажность воздуха в период наиболее интенсивной вегетации около 77 %. Преобладающими ветрами являются северо- западные. Средняя скорость ветра 1,8 - 3,9 м/сек.
Наименьшая скорость ветра в зимние месяцы и летом, наибольшая - весной. Максимальная скорость ветра в мае (апреле) достигает 25 м/сек, что часто вызывает сильные бури, иссушает почву, приносит вред растительности. Несмотря на сильные весенние ветры, массового ветровала и бурелома в лесу не наблюдается, из-за скованности в этот период корневой системы мерзлотой.
Из климатических факторов, оказывающих наиболее ощутимое отрицательное влияние на лесное хозяйство, является малое количество осадков в сочетании с сильными ветрами и минимальной относительной влажностью в весенние месяцы. В целом же приведенные выше данные свидетельствуют о том, что климат района расположения лесхоза суровый, что в сочетании с имеющими температурами и особенностями водного режима почв, обуславливает бедность породного состава и невысокую производительность насаждений.
В пределах района встречается большое разнообразие типов рельефа и географических ландшафтов. Формирование рельефа происходило в течение длительного геологического периода под влиянием сложных и интенсивных тектонических процессов. Наряду с тектоникой черты современного рельефа определяются глубоким проявлением различных процессов денузации. Поскольку пахотные массивы распространяются в котловинах, где находятся и объекты наших исследований, ограничимся кратким обзором рельефа этих геоморфологических структур.
?
1.3 Рельеф
Территория вследствие сложности геологического строения и геоморфологического развития отличается большим разнообразием горных пород, участвующих в почвообразовании. Чрезвычайно резкая изменчивость пород отмечается не только в условиях пересеченного горного рельефа, но и на равнинах. Большое разнообразие почвообразующих пород служит одним из важнейших факторов пестроты почвенного покрова Тувы. Древнейшие отложения относятся к протерозою.
Главными компонентами всего верхнего отдела протерозоя являются метаморфические породы богатые основаниями, в том числе карбонатными. Второстепенное значение имеют магматические породы – средние, основные и ультраосновные. Эти породы выступают на поверхность и элювий их служит минеральной основой почвообразования на значительных пространствах юго-востока Республики. Отложения палеозоя, господствующие в центральной и западной частях Тувы, весьма разнообразны.
В основании палеозоя залегают преимущественно рассланцованные конгломераты с крепким слюдистым цементом, в составе которых присутствуют мраморы, яшмо-кварциты, кварцево-полевошпатовые сланцы, диабазы. Локально встречаются глубокометаморфизованные отложения, состоящие из сланцев красно-фиолетового и серо-зеленого цвета с включениями песчаников.
Силурийские и нижнедевонские отложения палеозойской группы имеют большую мощность (Хемчикская котловина) и образуют три главные свиты: нижняя – песчаниковая, средняя – сланцевоизвестняковая и верхняя – аргиллито-алевролитовая. Последняя свита – терригенная. Выше нее лежит очень характерный осадочноэффузивный комплекс (порфириты, туфы, туфобрекчии, туфопесчаники) [Давлетова, 2006].
В юго-западной части (южные склоны Западного Танну-Ола) развиты преимущественно карбонатные терригенные осадки верхнего девона – известковистые песчаники и алевролиты, реже аргиллиты нижнего девона. На востоке широко распространены третичные вулканогенные образования – базальтовые покровы мощностью до 100 м.
В сложении форм современного рельефа принимают участие аллювиальные, делювиальные, пролювиальные, моренные и флювиогляциальные четвертичные отложения, реже – гравитационные (осыпи, курумы), эоловые и озерные отложения. Элювий коренных пород образуется и накапливается в условиях горного рельефа, в котловинах встречается локально. Продукты выветривания гранитов служат в качестве почвообразующих пород преимущественно в восточных районах Тувы, особенно в бассейне среднего течения реки Каа-Хема.
Делювиальные образования отлагаются на покатых склонах гор, в седловинах, распадках, широких ложбинах и вогнутых элементах поверхности на вершинах хребтов и плоскогорий. В больших котловинах они развиты по склонам островных возвышенностей и мелкосопочника. В Чеди-Хольском районе преобладают почвообразующие породы легкого гранулометрического состава: песчанистые и крупно пылеватые легкие суглинки, супеси, тонкозернистые пылеватые пески; песчанисто-пылеватые средние суглинки, иловатые средние и тяжелые суглинки (весьма мало). Глинистые отложения встречаются редко очень малыми контурами [Алехно, 2015].
?
1.4 Поверхностные и грунтовые воды
В гидрографическом отношении территория Республики Тыва охватывает бассейны Малого, Большого и Верхнего Енисея, а также часть водотоков, стекающих с южных склонов хребта Танну-Ола и Нагорья Сангилен, относящихся к системе бессточного озера Убсу-Нур (территория МНР).
Речная сеть хорошо развита. Всего на территории насчитывается 15329 рек и ручьев общей протяженностью 72247 км, в том числе по бассейнам рек:
1. р. Большой Енисей (р. Бий-Хем) - общее количество водотоков 4747, протяженностью 25823 км.
2. р. Малый Енисей (р. Каа-Хем) - общее количество водотоков 4977, протяженностью 20421 км.
3. р. Енисей (р. Улуг-Хем) - общее количество водотоков 2824, протяженностью 15293 км.
Всего рек длиной более 10 км - 1201. Их протяженность - 30588 км. 14128 водотоков, или свыше 92% от общего количества, имеют длину менее 10 км и относятся к разряду мельчайших, суммарная их длина составляет 41659 км.
На территории Республики Тыва подземные воды являются основным источником хозяйственно-питьевого водоснабжения, их доля в водоснабжении более 90%. Системы централизованного водоснабжения, использующие подземные воды, функционируют только в 6 населенных пунктах из 150: гг. Кызыле, Ак-Довураке, Шагонаре, пгт. Каа-Хем, сс. Бай-Хаак и Чаа-Холь. В остальных населенных пунктах водоснабжение осуществляется в основном одиночными водозаборами со сроком эксплуатации в большинстве случаев 20 - 40 лет.
В связи с возрастающей в последние годы техногенной нагрузкой своевременная оценка состояния подземных вод, прогноз изменений в подземной гидросфере имеют первостепенное значение для населения и экономики республики. В 2015 г., как и в предыдущие годы, широкомасштабных негативных процессов, связанных с деятельностью подземных вод, на территории республики не отмечено.
Вся территория Республики Тыва входит в состав крупной трансграничной гидрогеологической структуры 1 порядка - Алтае-Саянской сложной гидрогеологической складчатой области (ГСО), включающей в себя территории нескольких субъектов РФ. Республика Тыва - это ее южная часть, с входящими в нее межгорными артезианскими бассейнами и гидрогеологическими складчатыми областями. Внутри Алтае-Саянской СГСО на территории Тывы выделены Саяно-Тувинская и Сангиленская ГСО - структуры 2-го порядка. Эти структуры, в свою очередь, состоят из гидрогеологических массивов и межгорных артезианских бассейнов (структуры 3-го порядка). Первые преимущественно с корово-жильным и корово-блоково-жильным, вторые с блоково-пластовым и пластово-блоковым типом гидрогеологических тел.
В региональном плане вся территория Тувы согласно гидрографическому районированию относится к Енисейскому бассейновому округу, внутри него на подбассейновом уровне выделяются Малый Енисей, Большой Енисей и Енисей между слиянием Большого и Малого Енисея и впадением р. Ангары.
Подземные воды используются населением для питьевых, хозяйственно-технических и бальнеологических целей, а также для водопоя скота. В целом на изучаемой площади преобладают пресные подземные воды с минерализацией до 1 г/куб. дм, мягкие и умеренно-жесткие, нейтральные, холодные. Зона солоноватых вод с минерализацией 1 - 3 г/куб. дм развита на ограниченных участках.
Большинство крупных населенных пунктов в Тыве расположены в долинах рек Малый, Большой Енисей и Енисей, а также Элегест и Хемчик. Здесь же находятся наиболее крупные централизованные водозаборы, которые эксплуатируют аллювиальный горизонт. Максимальный водоотбор (63% от общего количества) из подземных источников по административным районам производится в г. Кызыле (Верхне-Енисейское, Малоенисейское месторождения питьевых подземных вод с 2-мя крупными групповыми водозаборами, здесь действуют мелкие групповые и одиночные водозаборы на автономных участках Кызылский 1 - 11 и ряд мелких групповых и одиночных водозаборов на неоцененных участках).
Кызыл является наиболее развитым в промышленном отношении городом в Республике Тыва, здесь живет более трети всего населения субъекта. Централизованные (крупные групповые) водозаборы действуют в гг. Ак-Довурак, Шагонар, пп. Чаа-Холь, Бай-Хаак. В административных районах водоснабжение осуществляется, в основном, одиночными водозаборными скважинами, из которых действующих в настоящее время насчитывается около двух тысяч. Подавляющая часть водозаборов работает на неутвержденных запасах. Качество эксплуатируемых подземных вод, в основном, соответствует требованиям, предъявляемым к питьевым водам.
?
1.5 Растительность
Леса покрывают почти половину территории Тувы. На хвойные породы приходится 95 % от всей площади лесов. Основная порода – сибирская лиственница, занимающая 69 % от площади хвойных лесов. Около 3 млн га территории Тувы покрыто кедровыми лесами (11 % всех кедровых лесов России). Сосны растут лишь в нескольких местах, занимая небольшие участки, самый крупный из которых – Балгазынский сосновый бор, расположенный в 100 км к югу от Кызыла. Считается, что в Северном полушарии это самый южный сосновый бор. В поймах рек произрастают лиственные деревья: лавролистный тополь, осина, береза, ива, черемуха, облепиха.
Средний ярус смешанных и лиственных лесов занимают кустарники, среди которых дикорастущие черная и красная смородина (кислица), шиповник, жимолость. Среди прочих ягодных растений – брусника, голубика, черника и земляника. Добыча кедрового ореха, сбор и заготовка смородины, брусники, голубики, облепихи и земляники – традиционное сезонное занятие большей части населения Тувы.
Если не считать безлесных горных вершин и водоемов, то свободную от леса территорию Тувы занимают степи. В основном это сухие степи, на юге – опустыненные степи и небольшие участки песков. Типичные представители пустынной флоры – полынь и ковыль. В степной зоне котловин, особенно по берегам озер, встречаются тростниково-осоковые болота.
В суровых климатических условиях Тувы растут также лекарственные и целебные растения: багульник, бадан, бессмертник, валериана, подвиды горца, зверобой, кипрей, пижма, пион (марьин корень), рододендрон золотистый (кашкара), радиола розовая (золотой корень), тысячелистник, чистотел, пастушья сумка, солодка и др. Всего насчитывается более 400 видов лекарственных растений.
?
2. Функции и значение почвенного гумуса
Утрата запасов органического вещества, в частности гумуса является одним из важнейших неблагоприятных изменений в черноземах, вызванных земледелием. Еще В. В. Докучаевым и П. А. Костычевым отмечалась опасность потери гумуса черноземами. В настоящее время это стало острой проблемой, за предшествующие 75–100 лет значительно уменьшилась в черноземах как мощность гумусовых горизонтов, так и суммарное содержание гумуса, в результате усиленной минерализации гумуса и уменьшения поступления органических веществ в пахотные почвы.
Для сохранения положительного баланса гумуса и в целом плодородия черноземов, как отмечают В. А. Ковда, Н. Ф. Ганжара и другие исследователи, в них требуется регулярное поступление органического вещества [Ганжара, 2017].
По данным агрохимической службы России (ЦИНАО) 56 млн. га пашни (45 %) характеризуется низким содержанием гумуса, 28 млн. га (23 %) дефицитом фосфора и 11,5 млн. га (9 %) калия. Среднегодовой дефицит гумуса в пахотном слое за последние годы в среднем по России составляет 0,52 т/га, который в различных регионах изменяется от 0,25 до 0,72 т/га (таблица 1).
Комплекс мероприятий, который обеспечит поступление органических веществ: внесение органических и минеральных удобрений; оставление более высокой стерни зерновых культур; посев многолетних трав; создание оптимальных соотношений культур в севооборотах для пополнения почвы органическими веществами и усиления процесса гумификации; минимализация обработок; применение мелиорантов, вызывающих закрепление гумуса на поверхности минеральной части почвы приведет к замедлению потерь гумуса и повышению его содержания в пахотных черноземах [Ачасов, 2006].
В настоящее время выявлены потери гумуса по зонам страны. Современное земледелие Центрально-Черноземной зоны основывается на черноземах с низким содержанием гумуса. В этой связи особый интерес вызывает влияние длительного применения различных мелиорантов и систем удобрения на гумусное состояние черноземных почв. Более точно определить влияние той или иной системы удобрения на формирование фракционно-группового состава гумуса и его лабильных соединений, а также содержание и запасы гумуса позволит именно изучение гумусного состояния почв в длительных стационарных опытах.
Таблица 1 – Баланс гумуса в пахотном слое почв природно-экономических регионов России, т/га (по данным К. В. Дьяконовой)
Природно-экономические регионы и природные зоны В среднем на 1 га пашни
дефицит гумуса потребность в навозе
Россия 0,52 6,5
Северо-Западный 0,25 5,0
Центральный 0,25 5,0
Волго-Вятский 0,58 11,6
Центрально-Черноземный 0,63 7,0
Поволжский 0,46 3,7
Северо-Кавказский 0,72 5,8
Уральский:
Нечерноземная часть
0,58
11,6
Черноземная часть 0,41 4,6
Западно-Сибирский 0,41 4,9
Восточно-Сибирский 0,51 6,8
Дальневосточный 0,64 12,9
Гумус сравнительно устойчив к разложению, значительно медленнее, чем свежее органическое вещество, минерализуется под воздействием почвенных микроорганизмов. По средним данным, скорость его разложения составляет 1–2 % в год. Энергетическим материалом для жизнедеятельности почвенных микроорганизмов служит органическое вещество почвы, а микроорганизмы играют важную роль в обеспечении растений элементами питания и углекислотой. Окультуривание почвы ускоряет размножение микроорганизмов и усиливает их деятельность.
Таблица 2 – Оценка направленности и степени трансформации органического вещества в черноземных почвах
Направленность трансформации органического вещества почвы Значения баланса гумуса, т/га Показатель трансформации органического вещества почвы
Очень активная минерализация <–1,2 –4
Активная минерализация <–0,8 –3
Минерализация (–0,4) – (–0,8) –2
Преобладание минерализации над гумификацией (–0,06) – (–0,39) –1
Равновесие (–0,05) – 0,05 0
Преобладание гумификации над минерализацией 0,06 – 0,39 +1
Гумификация 0,4 – 0,8 +2
Активная гумификация 0,8 – 1,2 +3
Очень активная гумификация > 1,2 +4
Известно, что биологическая активность почв снижается при внесении больших доз минеральных удобрений. Депрессия биологической активности почв с повышением гумуса отмечается лишь при очень высоких дозах хуков. В среднем в гумусе содержится около 5 % азота, но этот показатель для различных почв неодинаков.
Интенсивность минерализации гумуса различна под разными культурами. Среди культур выделяются культуры, мало влияющие на запасы гумуса (ряд зерновых колосовых, однолетние травы) и накопители гумуса (зернобобовые, многолетние бобовые травы, и некоторые зерновые культуры). К группе обедняющих почву гумусом относятся большинство пропашных культур. Среди них особенно выделяются подсолнечник, сахарная и кормовая свекла, бахчевые и другие культуры (таблица 3).
Из полевых культур положительная интенсивность баланса гумуса в почве складывалась под многолетними травами (130 %), соей (126 %), зернобобовыми культурами (107 %) и прочими зерновыми и рисом (123 %).
Таблица 3 – Баланс гумуса под отдельными культурами севооборота в Туве в
Культуры
Вынос азота, т/га
Зерновые колосовые 38,0 0,114 0,063 1,2 0,99 –0,21 82
Кукуруза на зерно 22,0 0,05 0,03 0.58 0,42 –0,16 72
Прочие зерновые, рис 41,7 0,09 0,04 0,88 1.08 +0,20 123
Зернобобовые 18,8 0,08 0,02 0,40 0,43 +0,03 107
Сахарная свекла 224 0,11 0,06 1,57 0,14 –1,43 9
Подсолнечник 15,6 0,08 0.04 1,10 0.43 –0,67 39
Сон 11,1 0,05 0,1 0,23 0,29 +0,06 126
Картофель и овощи 70,0 0.03 0.02 0,49 0,08 –0,41 16
Кормовые корнеплоды и бахчи 500,0 0,25 0,14 2,64 0,32 –2,32 12
Кукуруза на силос 146 0,04 0,02 0,61 0,39 –0,22 6
Однолетние травы (сено) 26,2 0,05 0,03 0,63 0,59 –0,04 94
Многолетние травы (сено) 30,0 0,07 0,1 0,01 0,13 +0,12 130
Средневзвешенное значение баланса –0,42 73
Наиболее сильными гумусоразрушающими культурами севооборота являются сахарная свекла (восстановление выноса всего 9 %), кормовые корнеплоды (12 % ), картофель и овощи (16 %). Исходя из сложившейся структуры посевных площадей в полеводстве края, в 2000 году интенсивность баланса гумуса была равна 73 %, т. е. баланс отрицательный, ежегодно 27 % централизованного гумуса не восполняется.
Комплекс мероприятий, который обеспечит поступление органических веществ: внесение органических и минеральных удобрений; оставление более высокой стерни зерновых культур; посев многолетних трав; создание оптимальных соотношений культур в севооборотах для пополнения почвы органическими веществами и усиления процесса гумификации; минимализация обработок; применение мелиорантов, вызывающих закрепление гумуса на поверхности минеральной части почвы приведет к замедлению потерь гумуса и повышению его содержания в пахотных черноземах [Вальков, 1981].
В настоящее время выявлены потери гумуса по зонам страны. Современное земледелие Центрально-Черноземной зоны основывается на черноземах с низким содержанием гумуса. В этой связи особый интерес вызывает влияние длительного применения различных мелиорантов и систем удобрения на гумусное состояние черноземных почв. Более точно определить влияние той или иной системы удобрения на формирование фракционно-группового состава гумуса и его лабильных соединений, а также содержание и запасы гумуса позволит именно изучение гумусного состояния почв в длительных стационарных опытах [Сиухина, 2010].
