Биологическая рекультивация песчаных карьеров в условиях Крайнего Севера тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 06.01.02, кандидат наук Денисов Александр Анатольевич

• Денисов Александр Анатольевич
• кандидат наук
• 2022

Оглавление диссертации кандидат наук Денисов Александр Анатольевич

ВВЕДЕНИЕ

1 ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1 Основные виды техногенной нагрузки и ее последствия

на почвенно-растительный покров

1.2 Деградация и демутация почвенно-растительного покрова

1.3. Влияние низких температур на почвенные процессы

1.4 Изменение агрохимических свойств и питательного режима почвы под влиянием удобрений и доломитовой муки

1.5 Формирование искусственного фитоценоза на нарушенных землях Крайнего Севера

2 ХАРАКТЕРИСТИКА ОБЪЕКТОВ, УСЛОВИЯ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ ПОЛЕВЫХ ОПЫТОВ

2.1 Характеристика объектов исследований

2.2 Агроклиматические условия в годы проведения исследований

2.3 Условия и методика исследований

3 ГИДРОТЕРМИЧЕСКИЕ РЕЖИМЫ ПЕСЧАНЫХ ГРУНТОВ ЛЕСОТУНДРОВОЙ ЗОНЫ КРАЙНЕГО СЕВЕРА

3.1 Водный режим песчаных грунтов

3.2 Температурный режим песчаных грунтов

4 АГРОХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА И ПИТАТЕЛЬНЫЙ РЕЖИМ ПЕСЧАНЫХ ГРУНТОВ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ АГРОМЕЛИОРАТИВНЫХ ПРИЕМОВ БИОЛОГИЧЕСКОЙ РЕКУЛЬТИВАЦИИ

4.1 Влияние доломитовой муки и торфа на агрохимические свойства и питательный режим песчаных грунтов

4.2 Влияние минеральных удобрений на агрохимические свойства и питательный режим песчаных грунтов

5 ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ ИСКУССТВЕННОГО ФИТОЦЕНОЗА МНОГОЛЕТНИХ ТРАВ В УСЛОВИЯХ КРАЙНЕГО СЕВЕРА

5.1 Формирование корневой системы и фитомассы многолетних трав в зависимости от уровня минерального питания и почвенной кислотности

5.2 Влияние способов, сроков и норм посева на урожайность семян многолетних трав

6 ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА АГРОМЕЛИОРАТИВНЫХ ПРИЕМОВ БИОЛОГИЧЕСКОЙ РЕКУЛЬТИВАЦИИ ПЕСЧАНЫХ КАРЬЕРОВ В УСЛОВИЯХ КРАЙНЕГО СЕВЕРА

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ВЫВОДЫ

ПРЕДЛОЖЕНИЯ ПРОИЗВОДСТВУ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЯ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Биологическая рекультивация песчаных карьеров в условиях Крайнего Севера»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. Активное вовлечение в эксплуатацию нефтяных и газовых месторождений, строительство автомобильных дорог общего пользования и производственных объектов в условиях Крайнего Севера неизбежно приводит к нарушению почвенно-растительного покрова, усилению криогенных процессов. Обнаженный песчаный грунт «с каждым годом протаивает и высыхает все больше, скорость водной и ветровой эрозии возрастают» [67]. Особо остро вопрос увеличения площади нарушенных земель стоит на территории Ямала-Ненецкого автономного округа (ЯНАО). По данным Управления Росреестра по ЯНАО общая площадь нарушенных земель на территории округа по состоянию на 01 января 2021 года составляет 105 тыс. га, а рекультивировано за 2020 г. около 7 тыс. га.

Разработка крупных месторождений на территории Ямало-Ненецкого автономного округа «происходит в наиболее уязвимой к антропогенному влиянию лесотундровой зоне» [106]. «Техногенное воздействие приводит к уничтожению растительного покрова и маломощного плодородного слоя почвы, к обнажению биологически инертной, низкопродуктивной минеральной части профиля. При этом нарушаются естественные гидротермические условия, которые приводят к развитию эрозии и увеличению деградированных земель. [106]. «Нарушение теплообмена в минеральной толще под поврежденной растительностью сопровождается опусканием уровня мерзлоты, увеличением мощности сезонного оттаивания, способствует развитию солифлюкционных процессов, термоэрозии и термокарста» [115, 117]. В наибольшей степени страдают территории, на которых добыча полезных ископаемых велась или ведется открытым способом, восстановление подобных измененных ландшафтов вызывает определенные трудности [166].

«Зарастание песчаных грунтов, где был полностью уничтожен почвенно-растительный покров, протекает чрезвычайно медленно, так площадь проективного покрывается к концу второго десятилетия достигает только 20-50%. При этом происходит сокращение флористического и фитоценотического разнообразия» [7, 125]. «Восстановительные процессы не успевают за развивающимися раз-

рушениями, вызванными антропогенной деятельностью» [125]. В зоне техноген-но-нарушенных земель Крайнего Севера самовосстановление почвенной системы практически не происходит, в связи с этим необходима разработка технологии биологической рекультивации почв [125]. «При этом этапы рекультивации и мероприятия ее выполнения должны отвечать определенной совокупности экологических требований, способствующих повышению эффективности восстановления компонентов природной среды. Способы рекультивации земель должны разрабатываться и быть ориентированы на виды нарушений и с учетом категории землепользования [31]. «Это достигается внесением органических и минеральных удобрений, доломитовой муки, посевом местных видов многолетних злаковых трав, в результате чего создается травяной покров, образуется дерновой слой, аккумулирующий питательные вещества» [178].

Технологии биологической рекультивации песчаных карьеров в условиях Крайнего Севера, включающие формирование потенциально плодородного почвенного слоя, способствующего развитию сукцессионных процессов, недостаточно изучены. Многолетние исследования в этом направлении нами проводились на песчаных грунтах лесотундровой зоны Ямало-Ненецкого автономного округа.

Степень разработанности темы исследования. Изучению деградации и демутации почвенно-растительного покрова в результате техногенной нагрузки, формированию искусственного фитоценоза на нарушенных землях Крайнего Севера посвящены работы: А.В. Амелина, Н.И. Андреяшкиной, Н.В. Андреевой, А.В. Игловикова, О.Д. Кононова, И.А. Лихановой, С.Д. Масалкина, Ю.Ф. Рождественского, В.И. Соломатина, В.Н. Тюрина, К.Л. Унанян. Несмотря на проведенные исследования вопросы технологии биологической рекультивации нарушенных грунтов изучены недостаточно.

Теоретической основой для обоснования выбора направления исследований стали известные научные труды ученых, среди которых: В.А. Андроханов, И.Б. Арчегова, А.А. Богушевский, А.И. Голованов, В.М. Зеленский, А.И. Коровин, Л.В. Кирейчева, Г.М. Пуртов, А.С. Моторин, В.И. Сметанин, А.Н. Тихановский, Б.Е. Чижов.

Цель исследований: разработка технологии биологической рекультивации песчаных карьеров на основе проведения агромелиоративных приемов и подбора растений-фитомелиорантов, обеспечивающих формирование плодородного почвенного слоя и устойчивого дернового покрова в условиях лесотундровой зоны Ямало-Ненецкого автономного округа.

Достижение поставленной цели предусматривает решение следующих основных задач:

- изучить особенности водного и теплового режимов песчаных грунтов в связи с их рекультивацией;

- исследовать действие доломитовой муки, органических и минеральных удобрений на агрохимические свойства и питательный режим песчаных грунтов;

- установить влияние уровня минерального питания и почвенной кислотности на развитие корневой системы и фитомассы многолетних трав;

- определить урожайность семян злаковых видов многолетних трав в зависимости от способов, нормы и сроков посева;

- провести экономическую оценку агромелиоративных приемов биологической рекультивации песчаных карьеров в условиях Крайнего Севера.

Научная новизна. На основе теоретических обобщений и результатов полевых и лабораторных исследований:

- установлено влияние метеоусловий и торфа на водный режим песчаных грунтов при постоянном близком к поверхности залегании мерзлоты в условиях лесотундровой зоны Крайнего Севера;

- определены особенности формирования температурного режима песчаных грунтов Крайнего Севера и его роль в формировании фитоценоза многолетних трав;

- выявлены изменения физико-химических свойств и питательного режима песчаных грунтов в зависимости от применения разных доз торфа, доломитовой муки и минеральных удобрений;

- разработан комплекс агромелиоративных приемов по ускоренному формированию плодородного слоя и фитоценоза, обеспечивающих устойчивое закрепление песчаных грунтов;

- предложен биологический подход для подбора видов многолетних трав и технология их выращивания на семена в условиях лесотундровой зоны Крайнего Севера.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту:

Закономерности формирования гидротермического режима песчаных грунтов Крайнего Севера от агрофизических свойств, метеоусловий, наличия и глубины мерзлотного горизонта и торфа;

Комплекс агромелиоративных приемов по созданию плодородного слоя, обеспечивающего ускоренное формирование устойчивого растительного покрова на песчаных грунтах Крайнего Севера;

Технология выращивания семенного материала местных видов злаковых многолетних трав, используемых при восстановлении нарушенных естественных биоценозов в условиях лесотундровой зоны Крайнего Севера.

Теоретическая и практическая значимость работы заключается в теоретическом обосновании создания плодородного слоя песчаных грунтов с использованием торфа, минеральных удобрений и доломитовой муки, обеспечивающего формирование устойчивого растительного покрова. Новые знания по гидротермическим режимам песчаных грунтов могут использоваться для обоснования состава рекультивационной травосмеси на базе семян местных видов злаковых многолетних трав в условиях Крайнего Севера.

Полученные результаты исследований могут быть использованы при подготовке стандарта организации (СТО) и разработке проектов по биологической рекультивации песчаных карьеров в условиях лесотундровой зоны Крайнего Севера.

Результаты исследований использованы ООО НПК «Северагротехнология» при проведении биологической рекультивации песчаных грунтов на площади 35 га.

Апробация работы. Основные положения диссертации представлялись на: LП Международной студенческой научно-практической конференции «Актуаль-

ные вопросы науки и хозяйства: Новые вызовы и решения», г. Тюмень, 2018 г.; Национальной научно-практической конференции «Перспективные разработки и прорывные технологии в АПК», г. Тюмень, 2020 г.; Научно-практической конференции аспирантов и молодых ученых «Новый взгляд на развитие аграрной науки», г. Тюмень, 2021 г; I Всероссийской (национальной) конференции «Рациональное использование природных ресурсов: теория, практика и региональные проблемы», г. Омск, 2021 г.; Международной научно-практической конференции «Фундаментальные научные исследования и их прикладные аспекты в биотехнологиях и сельском хозяйстве», г. Тюмень, 2021 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 работ, в том числе 5 в издании, рекомендованном ВАК РФ.

Личный вклад автора. Диссертационная работа является результатом самостоятельных исследований автора. Соискателем лично разработана программа и методика исследований; проведены полевые эксперименты; произведен отбор почвенных и растительных образцов, статистически обработан и проанализирован экспериментальный материал, проведена апробация результатов исследования, подготовлены публикации, написана диссертация.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, выводов, библиографического списка и приложений. Содержание работы изложено на 157 страницах печатного текста, включая 27 таблиц, 12 рисунков и 37 приложений. Библиографический список содержит 216 источников, из них 6 на иностранном языке.

За оказанную помощь при обсуждении методики исследований и подготовке рукописи диссертации к защите автор выражает искреннюю признательность научному руководителю, заслуженному агроному РФ, доктору сельскохозяйственных наук, профессору А.С. Моторину; генеральному директору, доктору сельскохозяйственных наук ООО НПК «Северагротехнология» А.Н. Тихановскому.

1 ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1 Основные виды техногенной нагрузки и ее последствия на почвенно-растительный покров

В настоящее время решение проблемы рекультивации нарушенных территорий, находящихся в северных широтах, приобретает большое значение в связи с постоянно возрастающей антропогенной нагрузкой на природные экосистемы. В результате малой устойчивости северных ландшафтов, практически любое воздействие отражается на функционировании естественных экосистем. Одной из главных проблем восстановления северных территорий является ограниченность технологий рекультивации, способствующих восстановлению нарушенных земель [9].

«В общем виде основные положения проблемы оценки техногенных воздействий и их последствий могут быть сформулированы с учетом имеющихся общетеоретических разработок и опыта экологических исследований в осваиваемых районах криолитозоны. В методологическом плане следует подчеркнуть принципиальную разницу между понятиями «воздействие» и «нарушение». Под нарушениями понимаются качественные и количественные преобразования компонентов экосистем и, в частности, основного из них - почвенно-растительного покрова» [21, 30, 119, 189].

«По степени нарушения естественной структуры экосистем (в основном почв и растительности) выделены (в порядке уменьшения) четыре группы территорий:

1) I группа - практически полная трансформация структуры: поверхностные отложения удалены или перемещены, мезо- и микрорельеф полностью изменены, почвы и растительный покров уничтожены;

2) II группа - сильная трансформация структуры: поверхностные отложения не затронуты; мезо- и микрорельеф практически не изменены или частично спланированы; почвы не изменены или изменены незначительно; естественная растительность уничтожена полностью или частично;

3) III группа - слабое изменение структуры: периодическим воздействиям подвергается только растительность; возможно частичное изменение видового со-

става последней, незначительные изменения микрорельефа и характеристик почвенного покрова;

4) IV группа - фактически неизменная естественная структура. К этой группе относятся территории, непосредственно не затронутые хозяйственной деятельностью, хотя для них не исключаются нерегулярные воздействия и незначительное загрязнение, обусловленное техногенными выбросами№ [4, 30, 206].

«Следовательно, изучение техногенных воздействий и их последствий должно базироваться на анализе системы воздействие - нарушение - процесс» [189].

«При освоении газовых и нефтяных месторождений, а также при проведении разведочных и строительных работ в пределах криолитозоны наблюдается активизация эрозионных и термоэрозионных процессов. Разнообразные техногенные воздействия, преимущественно механические, приводят к увеличению площади деградированной тундры. Нарушенные почвогрунты, лишенные растительного покрова и верхнего органогенного горизонта почвы, характеризуются низкой противоэрозионной устойчивостью и легко подвергаются воздействию разрушительных процессов» [21, 30, 191]. «Происходит изменение микрорельефа, характера снегоотложения, перераспределения поверхностного дождевого и талого стока» [20, 21, 30].

«Важнейшей особенностью тундровых почв является обособленность органогенного горизонта от лежащего ниже минерального горизонта. В органогенных горизонтах концентрируются корневые системы, микрофлора и мезофауна, здесь наблюдается максимальное содержание азота, фосфора, калия. Биогенный круговорот замыкается в слое мощностью не более 10-15 см» [21]. С этим связана уязвимость тундровых почв. Механические нарушения уничтожают органогенные горизонты, выводят на поверхность малоплодородные и токсичные грунты, активизируют эрозионные и другие деструктивные процессы. Наибольшие механические нарушения почвенно-растительного покрова происходят на этапе строительства инженерных объектов. Почвенно-растительный покров может быть полностью разрушен на участках, отведенных в постоянное пользование: на площадках промышленных объектов, жилых комплексов, по дорогам и их обочинам, в пре-

делах трасс газопроводов, уложенных в грунт, на карьерах, в основании сооружений (кустов буровых, опор ЛЭП и проч.)» [21] (см. также [30, 191]). Например, «анализ нарушений на Бованенковском газовом месторождении показывает, что 90% из них являются результатом механического повреждения почвенно-растительного покрова» [21, 30, 191].

«Причинами активизации деструктивных процессов (эрозии, термоэрозии, солифлюкции, быстрые сплывы) являются, с одной стороны, изменения противо-эрозионной стойкости и водно-тепловых условий почвенно-растительного покрова в результате его механического разрушения, обводнения и осушения и, с другой стороны, резкое изменение условий формирования поверхностного и внутри-почвенного стока вследствие уничтожения микрорельефа и появления дополнительных источников стока. Часто эти изменения способствуют резкой активизации деструктивных процессов на склонах не только на нарушенных площадях, но и далеко за их пределами» [5, 169, 170].

«Практический опыт освоения криолитозоны свидетельствует, что сопутствующие нарушениям процессы могут способствовать как ускорению самовосстановления почвенно-растительного покрова, так и дальнейшей его деградации» [169, 170]. «Под деградацией следует понимать ухудшение свойств почв и снижение продуктивности почвенно-растительного покрова. Соотношение интенсивности процессов деградации и самовосстановления определяет необходимость рекультивации почвенно-растительного покрова. Поэтому выбор и рекомендации видов и способов рекультивации должны быть основаны на интегральной количественной оценке соотношения процессов деградации и самовосстановления поч-венно-растительного покрова» [21, 23, 189].

«Большинство исследователей выделяют три вида деградации почв.

1) физическая деградация - ухудшение физических и водно-физических свойств почв, нарушение почвенного профиля.

2) химическая деградация - ухудшение химических свойств почв, истощение запасов питательных элементов, вторичное засоление и осолонцевание, загрязнение токсикантами

3) биологическая деградация - сокращение видового разнообразия микроорганизмов и нарушение оптимального соотношения их видов, загрязнение почвы патогенными микроорганизмами, ухудшение санитарно-эпидемиологических показателей» [30] (см. также [21, 191]).

«Для севера Западной Сибири рядом исследователей описаны основные типы деградационных изменений почвенно-растительного покрова:

- частичное уничтожение растительности в результате разового проезда транспорта (естественная растительность покрывает более половины площади);

- уплотнение и частичный разрыв тундрового войлока или лесной подстилки;

- уничтожение большей части растительного покрова и подстилки (войлока) за счет многократного прохождения транспорта;

- снятие растительного покрова, удаление верхних органогенных горизонтов почвы, нарушение микрорельефа (расчистка территории бульдозером);

- погребение естественного растительного покрова в результате навалов;

- механическое нарушение всего почвенного профиля при экскавации и переотложении грунта» [4] (см. также [30; 108, 109, 169, 170]).

«При нарушениях только в пределах верхнего органогенного горизонта подстилки, торфяного горизонта и сохранении его фрагментов почвы обладают способностью сравнительно быстро восстанавливать исходный профиль, поэтому их можно отнести к слабодеградированным» [4]. «Если нарушения коснулись уже средней части торфянистой толщи или гумусоаккумулятивного горизонта в элю-виально-глеевых почвах, то почвы относятся к среднедеградированным. Эти участки значительно легче, чем почвы первой группы. Они подвергаются эрозионным процессам, труднее восстанавливаются, термоизолирующая способность их верхних горизонтов существенно снижена» [30]. «Однако даже незначительные фрагменты гумусоаккумулятивных или торфяных горизонтов создают предпосылки для возобновления растительности. При полной ликвидации верхней части профиля и выходе на дневную поверхность песчаных иллювиальных и глее-вых горизонтов или материнской породы создаются крайне неблагоприятные

условия для их последующего закрепления растительностью, поэтому они относятся к сильнодеградированным» [21, 30, 191].

«Самым важным фактором, определяющим степень устойчивости почв к деградации в мерзлотных регионах, является наличие льда в почвенно-грунтовой толще: его количество, качество, характер залегания» [33, 189, 203]. «Высокая льдистость почв и грунтов, наличие различных форм подземного льда при механических нарушениях поверхности и изменении теплового режима способствуют более активному проявлению таких процессов, как термокарст, солифлюкция (сползание грунта по склонам), пучение. В настоящее время предложено несколько систем классификации мерзлотных грунтов по их устойчивости, учитывающих льдистость, наличие повторно-жильных (ПЖЛ) и других типов льдов разной мощности» [21]. «При нулевой льдистости («сухая мерзлота») освоение территории возможно без какого-либо учета мерзлотности; если льдистость менее 20% -ее учет необходим; при льдистости 20-40% освоение региона должно осуществляться с учетом мерзлотного состояния; при льдистости 40% мерзлота должна быть сохранена. При мощности подземных льдов до 1 м территория не чувствительна к освоению, при мощности 1-2 м - слабо чувствительна, при мощности 23 м - средне чувствительна, более 4 м (мощные льды) - территория сильно чувствительна к хозяйственному использованию» [21, 28].

«В зонах тундры и лесотундры растительность оказывает в основном консервирующее влияние на грунты, замедляя процессы, происходящие в верхних слоях. Благодаря слабой теплопроводности, растительный покров замедляет и уменьшает теплообмен между грунтами и атмосферой. Вследствие этого глубина протаивания грунтов под растительным покровом уменьшается на 65-85 см по сравнению с обнаженными участками. Соответственно промерзание - протаива-ние, пучение, просадка грунтов, а также солифлюкция под растительным покровом протекают в слое, толщина которого меньше, а поэтому они вызывают меньшее изменение грунтов, чем на обнаженных участках. Сплошной покров из мхов, лишайников и торфянистый слой, залегающий под ним, характерные для этих

подзон, исключают (на севере) или значительно затрудняют (на юге) развитие термокарста и значительно уменьшают эрозию» [185].

«Удаление или даже частичное нарушение теплоизолирующих напочвенных покровов при техногенных нагрузках вызывают быстрое протаивание минеральных грунтов. Могут затрагиваться и подземные льды, тогда происходит просадка поверхности. В понижениях скапливается вода. Если почвы мелкодисперсны и не содержат льда, усиление процессов протаивания и осадки ослаблено. При крупнопесчаных и крупноскелетных грунтах удаление растительного покрова резко усиливает их протаивание» [67, 187].

«Нарушение тундрового почвенно-растительного покрова повышает температуру грунтов не только в пределах сезонно-талого слоя, но и в подстилающих его мерзлых отложениях. В случае, если нарушение почв и растительного покрова происходит на склонах, изменение термовлажностного режима грунтов приводит к возникновению солифлюкции и термоэрозии. На выровненных участках, сложенных сильнольдистыми грунтами, изменение термовлажностного режима ведет к распространению термокарста с последующим обводнением территории. Наибольшие изменения термовлажностного режима грунтов связаны с нарушением органогенных горизонтов» [67]. «На склонах крутизной более 200 может происходить срыв водонасыщенной массы грунта и оползание его по обводненной кровле многолетнемерзлых пород» [18, 66, 185].

«Оползневые смещения происходят летом и осенью, но на севере Западной Сибири эти явления приурочены, в основном, к концу лета - началу осени, когда мощность сезонно талого слоя достигает максимального уровня. В теплые дождливые годы это явление принимает массовый характер. Имеют место вторичные подвижки уже существующих оползней. Часто это происходит в результате деятельности человека» [29].

«В зависимости от выбранного способа освоения одни и те же территории могут быть отнесены к неустойчивым или устойчивым. В данном случае степень и формы активации вторичных процессов, в частности, масштаб развития эрозионных процессов, их динамика и стадийность зависят не только от техногенных

воздействий (характера технических сооружений и режима их эксплуатации), но, и, главным образом, от повышения температуры поверхности почвы. Природная тепловая устойчивость не является единственным критерием оценки устойчивости территории, поскольку даже при незначительных нарушениях поверхности (удаление или разрушение растительности) происходит прогрессивное развитие криогенных процессов» [4, 66].

«Следовательно, нарушение тундрового почвенно-растительного покрова приводит к возникновению эрозионных процессов» [66]. Значит, главной целью рекультивационных работ на Крайнем Севере следует признать сокращение негативных последствий разрушения природных экосистем и устранение влияния техногенных объектов на прилегающую территорию [66].

1.2 Деградация и демутация почвенно-растительного покрова

«В условиях активно продолжающегося разрушения природных экосистем в ходе промышленной добычи природных ресурсов на территории Крайнего Севера актуальность приобрели исследования, направленные на разработку приемов восстановления природных экосистем вследствие повышенной их уязвимости к техногенным воздействиям и замедленного процесса самовосстановления. В последние годы темпы освоения природных ресурсов в северных регионах значительно превышают темпы восстановительных работ» [14].

«Разработка месторождений на территории Ямало-Ненецкого автономного округа происходит в наиболее опасных к антропогенному влиянию условиям лесотундры и тундры. Суровые климатические условия, усложненные наличием на небольшой глубине вечномерзлых пород, обусловливают своеобразие строения почвы природных экосистем. Оно проявляется в резком сокращении «зоны жизни», ограниченной мощностью продуктивного (биологически активного) слоя, практически представляющего собой моховую подстилку толщиной 10-15 см, в которой аккумулируются элементы питания и корни растений. Специфика строения почвы природных экосистем определяет высокую степень уязвимости их к

антропогенным (техногенным) нарушениям и длительный период самовосстановления» [105, 106].

«Техногенное воздействие приводит к уничтожению растительного покрова и маломощного плодородного слоя почвы, к обнажению биологически инертной, низко продуктивной минеральной части профиля. При этом меняются гидротермические условия, развивается ускоренная эрозия и другие негативные процессы, увеличивающие нарушенную площадь» [105, 106].

«Определяющей особенностью почвообразования на Крайнем Севере является климатический фактор. Именно он создает особые условия для гидротермических режимов почв и биогенно-аккумулятивных процессов. Матричной основой для формирования почв является литогенный комплекс, включающий в себя отложения, на которых формируется современная почва, и сложенные формы рельефа, сформированные в определенные моменты геологического времени» [15].

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Денисов Александр Анатольевич, 2022 год

мм %

1-0,5 0,5-0,25 0,25-0,05 0,05-0,01 0,01-0,005 0,005-0,001 0,001-0,0005 0,00050,00001 < 0,01 >0,01 1-0,05 0,05-0,001 < 0,001

15 - - - - - - - - - - - - -

40 1,7 9,2 29,8 44,2 10,1 5,1 0,0 0,0 15,2 84,8 40,6 59,4 0,0

65 1,3 10,8 31,8 39,7 12,3 3,3 0,8 0,0 16,4 83,6 43,8 55,4 0,8

120 1,0 10,2 30,2 41,2 11,8 5,1 0,5 0,0 17,4 82,6 41,3 58,2 0,5

200 0,8 11,4 37,7 37,0 8,6 4,4 0,1 0,0 13,1 86,9 49,8 50,1 0,1

280 0,5 12,7 35,2 38,2 10,7 2,7 0,0 0,0 13,4 86,6 48,4 51,6 0,0

На дне песчаного карьера содержится малое количество крупных частиц размером 1-0,5 мм. Максимальное количество сосредоточено в верхней части откоса карьера. Содержание мелкого песка (0,25-0,05 мм), напротив возрастает

сверху вниз с 29,8 до 35,2 27,7%. Доминирующее положение в грунте (82,686,9%) занимает физический песок (>0,01 мм) по сравнению с глиной (<0,01 мм), доля которой составляет 13,1-17,4%. Минимальное количество физической глины сосредоточено на дне карьера. Содержание ила (<0,001 мм) находится в незначительном количестве (0-0,8%) и не имеет определенной зависимости в распределении по откосу карьера. Следует отметить отсутствие ила на дне карьера.

При разработке технологии биологической рекультивации необходимо учитывать водно-физические свойства песчаного грунта. Одной из важнейших его констант является плотность сложения. Плотность сложения песчаного грунта на опытном участке превышает рекомендуемую оптимальную величину (Таблица 2). Существенных изменений плотности сложения грунта сверху вниз не происходит.

Таблица 2 - Агрофизические свойства песчаного грунта [67]

Глубина, см Плотность сложения, г/см3 Плотность твёрдой фазы, г/см3 Наименьшая влагоёмкость, мм

10 1,28 2,14 23,8

20 1,28 2,28 23,3

30 1,29 2,30 24,0

40 1,30 2,31 24,4

Плотность твердой фазы грунта увеличивается с глубиной на 0,17 г/см3. Одной из причин этого, очевидно, является изменение гранулометрического состава. Определение наименьшей влагоемкости в полевых условиях показывает на ее низкую величину в 0,4 метровом слое грунта (95,5 мм). С целью создания благоприятных условий для роста и развития многолетних трав требуется разработка приемов по снижению плотности сложения и увеличению влагоемкости песчаного грунта. Такая задача может быть успешно решена при использовании торфа.

Перед закладкой полевого опыта были отобраны образцы грунта через 0,1 м до глубины 0,3 м и проведены агрохимические анализы. Анализ полученных результатов показывает, что песчаный грунт имеет сильно кислую реакцию среды. Актуальная кислотность стабильна по всему 0,3-метровому слою (Таблица 3). На дне песчаного карьера гидролитическая кислотность относительно высока. В пес-

чаном грунте содержится малое количество обменных оснований, что объясняет во многом актуальную и гидролитическую кислотность.

Таблица 3 - Агрохимические свойства песчаного грунта перед закладкой опыта

Глубина, см N P K N03 № Р2О5 К2О Нг Б рН сол. Гумус, %

% мг/кг мг/1 [00 г мг-экв/100 г

10 0,06 0,01 0,3 сл. 1,0 2,4 1,0 2,8 2,4 4,4 0,29

20 0,07 0,02 0,4 1,7 2,0 4,2 1,2 2,8 2,8 4,4 0,05

30 0,07 0,02 0,3 сл. 1,0 3,8 1,1 2,9 2,0 4,4 0,02

Установлено низкое содержание валовых и подвижных форм питательных веществ. Полученные результаты позволяют сделать вывод, что внесение минеральных удобрений при рекультивации песчаных грунтов должно носить обязательный характер. Количество гумуса очень низкое и изменяется в пределах 0,020,29 %. Острый дефицит гумуса в песчаном грунте обуславливает многие его неблагоприятные свойства (малая буферная способность, низкая влагоемкость и т.д.). Исправить это возможно, прежде всего, внесением органических удобрений на этапе биологической рекультивации.

Опыты по возделыванию многолетних злаковых трав на семена были заложены нами на опытном поле Ямальской СХОС «на старопахотной (30-летнее освоение) поверхностно-подзолистой элювиально-глееватой почве. Морфологи-

ческое описание почвы:

А „,1Т 0-2 1 /2 1 см - супесь, увлажненная, серой окраски, пронизана корнями, переход резкий

А, А?. 2 1-33/12 см - супесь, влажная, сизый горизонт с небольшими гумусовыми потеками с буроватыми пятнами, корни редкие, переход заметный

ЕС 53-165/112 см - рыхлый, влажный песок светло-серой окраски, бесструктурный, горизонт слоистый, неоднороден по цвету, переход заметен|

С! более 165 см - рыхлый, влажный песок светло-серой окраски, чередование охристо-бурых п белесо-охристых прослоек, с глубины 179-135 см наблюдается «сухая» мерзлота

«В исследуемой почве по данным в горизонте Апах содержится 10% частиц размером 0,001 мм /ил/, 0,25-0,05 мм - 50%, 0,01-0,005 мм - 5% и 0,005-0,001 мм - 4%. Сумма фракций менее 0,01 мм в Апах составляет 19%; А1 А2 - 13; А2В - 20;

ВС - 5%. Почва имеет легкий гранулометрический состав: супесь и песок (Таблица 4). Агрофизические свойства поверхностно-подзолистой элювиально-глеевой почвы лесотундры характеризуются тем, что, имея легкий гранулометрический состав, хорошо пропускают воду, но плохо задерживают ее» [177, 181]

Таблица 4 - Гранулометрический состав окультуренной поверхностно-подзолистой элювиально-глееватой почвы [181]

Генетические горизонты Глубина взятия образца, см Содержание фракций, % от абсолютно сухой почвы Гигроскопическая влажность, % Наименование гранулометрического состава почвы

1-0,25 мм 0,25-0,05 мм 0,05-0,01 мм 0,01-0,005 мм 0,005-0,001 мм менее 0,001 мм сумма фракций менее 0,01 мм

А 0-21 1 50 30 5 4 10 19 2,68 Супесь

а,а2 21-35 0 59 28 3 4 6 13 1,39 Супесь

а2в 35-53 0 39 41 4 1 15 20 2,23 Супесь

ВС 53-165 1 89 1 0 2 3 5 0,68 Песок рыхлый

с >165 0 94 1 0 1 3 5 0,44 Песок рыхлый

С глубиной возрастают плотность сложения и твердой фазы. В слое 0-21 см они были, соответственно, 1,38 и 2,60 г/см3; 21-35 см-1,64 и 2,69 г/см3 (Таблица 5).

Таблица 5 - Агрофизические свойства окультуренной поверхностно - подзолистой элювиально - глеевой почвы [181]

Генетический горизонт Слой почвы, см Плотность МГ ВЗ НВ

сложения твердой фазы

г/см3 От сухой почвы, %

Апах 0-21 1,38 2,60 5,01 7,5 25,8

а,а2 21-35 1,64 2,69 2,66 4,0 18,9

а2в 35-53 1,59 2,76 2,15 3,3 16,2

ВС 53-165 1,66 2,78 1,28 1,9 10,9

С >165 1,55 2,66 Не опр. Не опр. 13,5

«Максимальная гигроскопичность (МГ) снижается вниз по профилю почвы.

Такая же картина наблюдается и с влажностью завядания (ВЗ) и с наименьшей влагоемкостью (НВ).

Старопахотная почва по данным имеет слабо кислую реакцию среды в верхнем горизонте (0-21 см). Вниз по профилю кислотность резко возрастает (Таблица 6). Для нее характерна высокая гидролитическая кислотность. Содержание гумуса в пахотном слое (0-21 см) составляет 3,08%. С глубиной его содержание резко сокращается (до 0,35%)» [177, 181]

Таблица 6 - Агрохимическая характеристика окультуренной поверхностно-подзолистой элювиально-глеевой почвы [181]

Генетический горизонт Глубина образца, см рН (сол.) Гумус, % Нг рНкС! 8 Общий азот, % £ > РзО, К20

мг-экв/100 г почвы мг/100 г почвы

А 0^21 5,75 3,08 5,37 0,09 8,8 0,13 62,1 26,3 15,0

а,а2 21-35 4Д0 0,43 4,52 1,24 2,62 0,02 37,2 4,4 7,0

а2в2 35-53 3,75 0,35 9,44 4,50 3,64 не опр. 27,8 не опр. не опр.

ВС 53-165 4,20 не опр. 2,31 0,57 1,92 не опр. 45,4 не опр. не опр.

с >165 4,56 не опр. 1,13 0,09 2,30 не опр. 67,0 не опр. не опр.

«Обеспеченность почвы подвижными формами фосфора и особенно калия возросла в процессе окультуривания, достигнув в горизонте А соответственно 26,3 и 15,0 мг/100 г почвы» [177, 181].

2.2 Агроклиматические условия в годы проведения исследований

В годы исследований количество осадков в течение вегетационного периода существенно отличалось от среднемноголетних значений за исключением 2016 г., когда осадков выпало на 13,8 мм меньше нормы (6,8%). Можно предположить, что в 2016 г. для многолетних трав в целом ситуация складывалась благополучно. Но это не так. К такому выводу приходишь на основе анализа распределения выпавших осадков на протяжении вегетационного периода. Две декады июня 2016 г. были засушливыми, особенно первая, когда выпало всего 28,1% нормы осадков.

Напротив, в конце месяца превышение осадков к норме составило 17 мм (80,9%). В июле осадки также выпадали неравномерно (Рисунок 1, прилож. А). Особенно сухо было в первую декаду, когда вместо 20 мм выпало только 6,5 мм (32,5%). Основное количество осадков поступило во вторую декаду месяца (177,8% нормы). Близкая к этой ситуация наблюдалась и в августе.

VI VII VIII IX 2016 г. 2017 г. 2018 г. -ср.мн.

Рисунок 1 - Среднедекадное количество атмосферных осадков в годы проведения исследований, мм (по данным метеостанции г. Салехарда)

В 2017 г. почти половина (41,5%) средневегетационной нормы осадков выпала в первый месяц вегетации многолетних трав. На протяжении всего июля 2017 г. осадков по декадам было меньше нормы соответственно на 26,5-21,3-46,4 %. В первую и третью декады августа количество осадков соответствовало сред-немноголетней норме. Во вторую декаду этого месяца дефицит осадков к норме был максимальным за всю вегетацию (92%).

В течение вегетационного периода 2018 г. зафиксировано минимальное количество осадков - 68,7% к норме. Следует отметить, что на протяжении третьей декады июня и первой июля осадков не было вообще. Во вторую декаду июля выпало 3,5 мм вместо 23 мм по норме. Можно сказать, что осадки отсутствовали практически на протяжении месяца, что не могло негативно не отразиться на влажности песчаного грунта, росте и развитии многолетних трав. Максимальное количество осадков (140,9% к норме) в течение вегетационного периода 2018 г. выпало в третью декаду июля. Неравномерное выпадение осадков позволило нам установить их влияние на формирование влажности песчаного грунта под многолетними травами.

В отличие от осадков температура воздуха в среднем за 3 года исследований превышала на 1,2 0С среднемноголетнюю величину (10,8 0С). Однако по годам ситуация складывалась совершенно по-разному (Рисунок 2, прилож. Б, В, Г). В 2016 г. в среднем за вегетацию температура воздуха составила 10,7 0С, что практически соответствует среднемноголетней норме.

О 20

° „ 18

|у 16

Й 14 а

ш

а

ш

н

12 10 8 6 4 2 0

12 Июнь

2016 г.

12 Июль

-2017 г.

2

Август

1

Сентябрь

2018 г.

ср.мн.

Рисунок 2 - Среднедекадные температуры воздуха в годы исследований, 0С (по

данным метеостанции г. Салехарда)

На следующий 2017 г. отмечена самая высокая температура воздуха. В среднем за вегетацию температура воздуха составила 13,2 0С, превысив норму на 2,4 0С, что очень много. Теплым оказался вегетационный период 2018 г., когда температура воздуха на 1,2 0С была выше среднемноголетней нормы. Относительно высокая температура воздуха обеспечила достаточно активное прогревание песчаного грунта, рост и развитие многолетних трав.

Известно, что в условиях Крайнего Севера температура воздуха может резко изменяться в течение короткого промежутка времени. В годы исследований это проявилось очень ярко. Например, температура воздуха в первую декаду июня 2016 г. была 8,2 0С, что на 4,2 0С выше нормы. Во вторую декаду этого же месяца превышение температуры к норме составило только 1,1 0С, в третьей декаде - уже 0,3 0С. Самые большие изменения температуры воздуха отмечены в июле. Температура воздуха в первую декаду июля составила 18,6 0С, что выше нормы на 4,5

3

3

1

3

0С. Во вторую декаду июля температура воздуха понизилась на 9,0 0С по сравнению с первой и на 4,7 0С по отношению к среднемноголетней. На протяжении первых двух декад августа температура воздуха была на 1,5-3,20С ниже средне-многолетних значений. Понижение или повышение температуры воздуха сопровождалось существенными изменениями прогревания почвы. В 2017 г. таких резких колебаний температуры воздуха не происходило в течение практически всего вегетационного периода. Температура воздуха превышала норму весь летний период, за исключением второй декады июля, когда она опустилась до 12,0 0С. В первую декаду июня 2018 г. температура воздуха была ниже нормы на 0,9 0С, что задерживало активное отрастание многолетних трав [128]. Максимальное превышение температуры воздуха к норме зафиксировано в третью декаду июня (6,0 0С), во вторую (3,8 0С) и третью (2,3 0С) декады июля. Начиная с третьей декады июня по третью декаду июля выпало только 3,5 мм осадков [160]. При высокой температуре воздуха значительно снижалась влажность почвы, что приводило к угнетению роста и развития многолетних трав.

Наблюдениями установлено, что суточная амплитуда температуры воздуха может достигать высоких значений. В 2016 г. максимальная температура воздуха 28,5 0С зафиксирована в третью декаду июля, минимальная в эту декаду составила 3,0 0С; в 2017 г. в третью декаду июня отмечено соответственно 27,7 0С и 9,6 0С; в 2018 г. - в третью декаду июня - 29,30 и 6,2 0С. Кроме того, в годы исследований были зафиксированы в июне, июле и в первой декаде сентября отрицательные температуры (0,5-5,0 0С) на поверхности почвы, что оказывало отрицательное влияние на многолетние травы.

При агроклиматической оценке условий проведения исследований очень важно рассмотреть продолжительность вегетационного периода. Самая короткая продолжительность вегетационного периода 93 дня отмечена в 2016 г., что было обусловлено низкими температурами воздуха (Таблица 7). В 2017 г. продолжительность вегетационного периода была максимальной, чему способствовала температура воздуха. Сроки начала и окончания вегетационного периода в годы исследований практически не различались, за исключением 2016 г. В 2016 г. начало

вегетационного периода отмечено 8 июня, что на 16-18 дней позже, чем в 20172018 гг. [161]. Это отразилось на медленном отрастании многолетних трав. Сумма тепла за вегетационный период 2017-2018 гг. превышала среднемноголетнюю величину на 83,6-205,5 0С; в 2016 г. она была меньше нормы на 151,6 0С.

Таблица 7 - Метеорологические условия вегетационных периодов в годы исследований (по данным метеостанции г. Салехарда)

Годы Вегетационный период Температура воздуха ГТК

начало конец продолжительность среднесуточная максимальная минимальная

2016 8.06 9.09 93 11,1 28,5 -2,4 1,83

2017 21.05 11.09 114 12,2 27,7 -4,3 1,34

2018 23.05 9.09 110 11,2 29,3 -4,0 1,11

19352001 4.06 15.09 104 11,7 28,3 -1,8 1,61

На основании вышеизложенного можно сделать вывод, что агроклиматические условия в годы исследований существенно различались от среднемноголет-них значений. Дифференцированное количество и распределение осадков в течение вегетационного периода и существенные колебания температуры воздуха позволили определить влияние метеорологических факторов на динамику формирования гидротермического и питательного режимов, а также формировании фитоценоза многолетних трав.

2.3 Условия и методика исследований

Полевые опыты по биологической рекультивации заложены в 2015 г. на дне песчаного карьера 25-летней выработки, расположенном в лесотундровой зоне ЯНАО (15 км от г. Салехарда).

При закладке опытов применялся торф переходного типа с плотностью сложения 0,1 кг/м3, рН(сол.) - 4,15, гидролитической кислотностью 4,27 мг-экв./ 100 г почвы, Н>бщ. - 1,06 %, P2O5 - 0,23 %, K2O - 0,07 %, CaO - 0,35 %. Использовали доломитовую муку с содержанием CaO - 30,4 %, MgO - 21,7 %. На опытах высевали овсяницу красную (Festuca rubra L.), мятлик альпийский (Роа alpine L.), луговик берингский (Carex cespitosa L.).

Опыт 1. «Влияние доз внесения почвенных мелиорантов на тепловой, водный и питательный режимы песчаных грунтов в агроценозах овсяницы красной для проведения биологической рекультивации в условиях лесотундровой зоны».

Схема двухфакторного полевого эксперимента по определению оптимальной дозы внесения торфа и доломитовой муки в песчаный грунт карьера:

Фактор А: дозы торфа Фактор В: дозы доломитовой муки

Без торфа (контроль) Без доломитовой муки (контроль)

50 т/га без доломитовой муки

+ 2 т/га доломитовой муки

+ 4 т/га доломитовой муки

+ 6 т/га доломитовой муки

+ 8 т/га доломитовой муки

100 т/га без доломитовой муки

+ 2 т/га доломитовой муки

+ 4 т/га доломитовой муки

+ 6 т/га доломитовой муки

+ 8 т/га доломитовой муки

150 т/га без доломитовой муки

+ 2 т/га доломитовой муки

+ 4 т/га доломитовой муки

+ 6 т/га доломитовой муки

+ 8 т/га доломитовой муки

Площадь делянок первого порядка составляла 62,0 м2, при этом учетная площадь - 40,6 м2; площадь делянок второго порядка - 12,0 м2, учетная - 5 м2. Варианты с дозами доломитовой муки располагались в опыте поперёк вариантов с различными дозами торфа. Повторность двухфакторного опыта - трёхкратная.

Внесение торфа, доломитовой муки и минеральных удобрений (N90P90K90) проводили вручную путем разбрасывания. Торф, доломитовую муку и минеральные удобрения перемешивали с песчаным грунтом путем фрезерования на глубину 15-18 см мотоблоком марки Caiman Vario 60S D3. После фрезерования проводилось прикатывание гладким водоналивным катком. Беспокровный посев овсяницы красной с нормой высева 58,3 млн.шт.га, что в физическом весе составляет 60 кг/га, проведен вручную в оптимальные сроки во вторую декаду июня с последующим боронованием на глубину 3-4 см и прикатыванием ручным гладким водоналивным катком.

Опыт 2. «Влияние дозы внесения минеральных удобрений (нитроаммофоска - на агрохимические свойства рекультивируемой почвы в посевах овсяницы красной»

Схема однофакторного опыта включала 4 варианта доз внесения минеральных удобрений (кг д.в./га): 1 - без удобрений (контроль), 2 - N45P45K45; 3 -N90P90K90; 4 - N^135^35.

Технология обработки почвы, норма и способ посева овсяницы красной в опыте аналогична опыту 1. Агромелиоративный прием предполагал совместное внесение торфа и доломитовой муки в дозах соответственно 100 т/га и 2 т/га. По-вторность опыта - трехкратная. Площадь делянок - 30 м2, учетная - 5 м2. Образцы почвы для анализов отбирались в слое 0,2 метра ежегодно в конце вегетационного периода

Опыт 3. «Влияние способов посева на формирование продукционного процесса и урожайность семян овсяницы красной на поверхностно-подзолистой элю-виально-глееватой почве»

Схемой однофакторного опыта предусматривалось изучение трех вариантов способов посева:

1. Рядовой способ посева /15 см/

2. Черезрядный способ посева /30 см/

3. Широкорядный способ посева /60 см/

Обработка почвы под посев многолетних трав состояла из безотвальной вспашки на глубину 15-18 см, дискования тяжелой дисковой бороной БДТ-3,5 в один след, фрезерования ФБН-1,5 и боронования зубовыми боронами. Перед последним боронованием вносили минеральные удобрения в дозе ^^^^ Норма высева овсяницы красной при всех способах посева составляла 13,3 млн.шт./га, что в физическом весе равно 36 кг/га. Овсяницу красную высевали беспокровно вручную во II декаду июня, по маркёру, глубина заделки семян 3-4 см.

Опыт был заложен 20 июня 2015 г. на старопахотной (30-летнее освоение) почве Ямальской СХОС, в трехкратной повторности. Размер делянок в опыте - 75 м2, учетная 30 м2.

Опыт 4. «Влияние различных норм высева на семенную продуктивность трав мятлика альпийского и овсяницы красной»

Схемой двухфакторного опыта предусматривалось изучение двух вариантов по фактору А (виды трав): 1- мятлик альпийский, 2 - овсяница красная и по фактору В (норма высева): 1- 13,3 (36 кг/га) и 6,5 (18 кг/га) млн.шт/га; 2 - 31,1 (32 кг/га) и 15,5 (16 кг/га) млн.шт./га.

Опыт заложен 21 июня 2015 г., в 3-кратной повторности. Агротехнологиче-ские приемы обработки почвы в опыте 4 аналогична опыту 3. Перед последним боронованием вносили минеральные удобрения в дозе N45P45K45. Многолетние травы высевались беспокровным, широкорядным способом /через 60 см/, вручную по маркёру. Площадь делянок в опыте - 75 м2, учетная 30 м2.

Опыт 5. «Влияние различных сроков посева на семенную продуктивность многолетних трав»

Схемой однофакторного опыта предусматривалось изучение двух сроков посева (летний срок - 23 июня) и (подзимний срок - 17 сентября) на семенную продуктивность овсяницы красной с нормой высева 15,5 млн.шт./га (32 кг/га) и луговика берингского с нормой высева 48,0 млн.шт./га (12 кг/га).

Агротехнологические приемы обработки почвы перед посевом трав были аналогичны опыту 3. Травы высевали вручную, широкорядным способом /60 см/, по маркёру в четырехкратной повторности. Норма высева семян трав соответствовала схеме опыта. Перед посевом и отрастанием трав весной вносились минеральные удобрения в дозе N45P45K45. Ежегодный уход за посевами трав состоял из весенней подкормки и 2-кратной междурядной обработки. Учет урожая многолетних трав на семена на всех опытах проводили комбайном Сампо 500 с отбором образца для последующего определения влажности и посевных качеств.

В опытах проведены следующие основные и сопутствующие наблюдения и учеты:

1. «Влажность грунтов определяли ежедекадно термостатно-весовым методом в трехкратном повторении через каждые 10 см по горизонтам: 0-10, 10-20, 20-30, 30-40 см на постоянных площадях в течение всей вегетации» (ГОСТ 28268-89).

2. «Температуру почвы измеряли термометрами Савинова по глубинам 5, 10, 15, 20 см в 14:00 местного декретного времени с периодичностью один раз в 5 дней на протяжении всего вегетационного периода» (ГОСТ 25358-82).

3. «Наименьшую влагоемкость почвы определяли по методу Вадюниной и Корчагиной. Образцы почвы на влажность отбирались через сутки в центре заливаемых площадок в четырехкратном повторении через каждые 10 см до границы оттаивания грунта. Площадки закрывались полиэтиленовой пленкой. В последующие два дня отбор проб повторялся» (ГОСТ 28168-89).

4. «Плотность сложения грунта определяли методом наложения объемных колец в четырехкратном повторении по вариантам опыта, где изучали влажность» (ГОСТ 20276-99).

5. «Определение плотности твердой фазы почвы проводили в лаборатории НИИСХ Северного Зауралья-филиал ТНЦ СО РАН» (ГОСТ 22733-2002).

6. «Основные агрохимические свойства грунтов определяли: азот - по Къельдалю, гумус - по Тюрину, фосфор и калий - по Капенну-Гильковицу, насыщенность почвы основаниями - расчетным путем. Образцы грунта отбирали в пахотном слое (0-20 см) в конце каждого вегетационного периода» (ГОСТ 17.4.4.02-84).

7. «Минеральный азот (аммонийный и нитратный) определяли по Гранд-валь-Ляжу, подвижный фосфор по А.Т. Кирсанову, калий по Чирикову, содержание гумуса» (ГОСТ 23740-79) «дважды за сезон (перед внесением удобрений и в конце вегетации) в слое 0-20 см» (ГОСТ 26204-91, ГОСТ 26207-91).

8. Определение рНКС1 и гидролитической кислотности проведено в лаборатории токсикологии ГАУ Северного Зауралья (ГОСТ 17.5.4.01-84).

9. Гранулометрический состав грунтов определен в лаборатории токсикологии ГАУ Северного Зауралья (ГОСТ 12536-79).

10. «За ростом и развитием многолетних трав фенологические наблюдения велись по методике ГСУ на всех вариантах на протяжении вегетационного периода. Периодичность наблюдения - каждые 5 дней с момента отрастания трав.

11. Учет густоты стояния растений проводили в фазу полных всходов многолетних трав на постоянных 3 площадках двух несмежных повторностей (50x50 см)» [182].

12. Урожайность многолетних трав учитывали сплошным методом. Для определения выхода сухого вещества отбирали образец массой 1 кг.

13. «Корневую массу определяли по слоям почвы 0-10, 10-20, 20-30 см путем отбора почвенных монолитов размером 20x30 см в пятикратной повторности. Корни отмывали на сите с диаметром 0,25 мм» [66] .

14. «Математическую обработку полученных данных проводили по Б.А. Доспехову» (ГОСТ 20522-96).

3 ГИДРОТЕРМИЧЕСКИЕ РЕЖИМЫ ПЕСЧАНЫХ ГРУНТОВ ЛЕСОТУНДРОВОЙ ЗОНЫ КРАЙНЕГО СЕВЕРА

3.1 Водный режим песчаных грунтов

«Вода в зависимости от ее содержания в почве обладает различной подвижностью и разной степенью доступности растениям. Чем ближе это содержание к той системе влажности, которая требуется при известных условиях климата и свойствах почвы для роста данного растения, тем выше его урожайность» [2, 48, 66, 67]. «Для всходов и первоначального развития сельскохозяйственных культур, пока не окрепла их корневая система, содержание влаги в почве должно быть выше, чем для хорошо развитых, имеющих мощную корневую систему» [3]. «Говоря о неодинаковой потребности во влаге, имеется в виду и то, что эти различия тесно связаны с разными требованиями их к воздушному режиму» [1, 110, 128]. «Известно, что многолетние травы предъявляют повышенные требования к влажности почвы в течение всего вегетационного периода. Наличие мерзлоты на небольшой глубине от поверхности накладывает отпечаток на характер формирования влажности почвы. Исследованиями [установлено, что влажность почвы при наличии мерзлоты определяется количеством влаги, расходуемой на испарение почвой и растениями, с одной стороны, и количеством осадков в весенне-летний период и влагой, поступающей от таянья мерзлой толщи - с другой» 12, 67, 164].

В результате наших исследований подтвердилось, «что влажность нарушенных грунтов в значительной степени зависит от количества осадков в течение вегетационного периода» [66] (Рисунок 3, прилож. Д).

Например, в течение вегетационного периода 2016 г. запасы влаги в слое 0-40 см на делянках с внесением 50 т/га были максимальными, что обусловлено выпадением 190,2 мм осадков (93,2% среднемноголетней нормы).

В среднем за вегетационный период коэффициент корреляции между запасами влаги в грунте на делянках с внесением 50 т/га торфа и осадками составил: 2016 г. -0,93; 2017 г. - 0,70; 2018 г. - 0,58. Влажность грунта все годы была значительно ниже оптимальных значений для роста и развития многолетних трав.

8 ¿3 и

£ §

го

3 70 60 50 40 30 20 10 0

65,9

19,9

15,7 ||

0-10 см 0-40 см 0-10 см 0-40 см 0-10 см 0-40 см

2016 г. 2017 г. 2018 г.

■ доза торфа 50 т/га ■ доза торфа 100 т/га

Рисунок 3 - Влияние торфа на средневегетационные запасы продуктивной влаги в агрофитоценозах многолетних трав при рекультивации песчаного грунта, мм

С практической стороны важно рассмотреть запасы влаги не только в целом за вегетацию многолетних трав, но и по фазам их развития (Рисунок 4).

Рисунок 4 - Влияние торфа на запасы продуктивной влаги в агрофитоценозах многолетних трав при рекультивации песчаного грунта, среднее за 2016-2018 гг.,

мм

Влажность корнеобитаемого слоя песчаного грунта под влиянием осадков изменялась от верхнего предела оптимальности в начале вегетационного периода (0,74-0,88 НВ), до ее существенного дефицита в июле (0,31-0,46 НВ). Дефицит влаги сдерживал активный рост многолетних трав, которые в это время находились в

фазе выхода в трубку - колошения. Во вторую половину вегетационного периода запасы пополнялись за счет осадков на 15-20%. Необходимо отметить, что в засушливые периоды, когда осадки отсутствовали полторы-две недели, влажность грунтов снижалась до 0,2-0,3 НВ. «Резкие колебания влажности грунтов характерны не только в целом за вегетационный период, но и в течение короткого срока. Одной из важных причин неустойчивого режима влажности грунтов является низкая влагоём-кость, обусловленная легким гранулометрическим составом.

Общим для всех лет исследований является то, что влажность грунтов перед промерзанием была близка к наименьшей влагоемкости. Связано это с близким залеганием мерзлоты (0,6-0,8 м) и выпадением осенних осадков.

Мерзлота в условиях Крайнего Севера оказывает существенное влияние на режим влажности грунта, она является ее регулятором. Во время отсутствия осадков мерзлота является барьером для передвижения влаги внизлежащие слои. На границе оттаявшего слоя и мерзлоты влажность не опускается ниже 0,4-0,5 НВ, обеспечивая растения влагой на удовлетворительном уровне. При большом количестве (10 и более мм) выпадающих атмосферных осадков и близком залегании мерзлоты к поверхности (0,2-0,3 м) влажность корнеобитаемого слоя (0,2 м) возрастает до верхнего предела оптимальных запасов, несмотря на легкий гранулометрический состав грунтов» [125].

На варианте опыта с внесением 50 т/га торфа максимальное содержание влаги наблюдается вверху (0-10 см). В среднем за 3 года исследований это выглядит следующим образом. Если принять влажность грунта на глубине 0-10 см за 100%, то на глубине 10-20 см она составит 80,1%; 20-30 см - 70,1%; 30-40 см -81,5%. Полученные результаты косвенно свидетельствуют о высокой влагоемко-сти торфа. «Торф, задерживающий влагу в корнеобитаемом слое, создает более благоприятные условия для появления всходов, роста и развития многолетних трав» [125]. Этот вывод подтвердили учеты густоты стояния и сухой массы многолетних трав в течение 3 лет.

Увеличение дозы внесения торфа с 50 до 100 т/га обеспечило существенное повышение запасов влаги в слое 0-40 см. В среднем за 3 года запасы влаги в этом

слое увеличились на 10,5 мм (27,9%). По годам прибавка влаги значительно изменялась: 2016 г. - 13,7 мм (26,2%); 2017 г. - 7,0 мм (19,8%); 2018 г. - 10,7 мм (42,3%). Если оценивать в абсолютных величинах - то максимальная прибавка запасов влаги 13,7 мм получена в 2016 г., когда осадков выпало почти среднемноголетняя норма. Это указывает на хорошую влагоудерживающую способность торфа. Однако высокая доза торфа (100 т/га) обеспечила наибольшую прибавку запасов влаги по всему слою 0-40 см в острозасушливый вегетационный период 2018 г., которая составила 42,3% по сравнению с дозой торфа 50 т/га. Следовательно, положительное действие торфа особенно заметно проявляется в годы с недостатком осадков.

Сравнительная оценка запасов влаги по профилю грунта позволила выявить некоторые особенности на вариантах с различными дозами торфа. На делянках опыта, где вносили торф дозой 100 т/га, в относительно влажный 2016 г. в слое 010 см запасы влаги были на 4,2 мм (26,7%) больше, чем на фоне 50 т/га. В острозасушливый 2018 г. различия по запасам влаги в слое 0-10 см сократились, но все равно остаются на уровне 15,8%. Максимальное различие по запасам влаги между вариантами с дозами торфа установлено на глубинах 20-30 см (2,3 мм - 89%) и 30-40 см (2,4 мм - 260%).

3.2 Температурный режим песчаных грунтов

«Одним из решающих факторов развития растений является температура почвы, особенно в начале вегетации. Влияние температуры проявляется практически во всех процессах, происходящих в почве. Очень важно установить особенности температурного режима почв в условиях Крайнего Севера, где преобладают низкие температуры воздуха. Наблюдения за температурой песчаного грунта в карьере проводились нами под многолетними травами» [125].

Исследования показали, что в среднем за три года температура грунта на глубине 5 см составила 10,6 0С, 10 см - 9,6 0С, 15 см - 8,6 0С и 20 см - 7,8 0С (Рисунок 5, прилож. Е).

О 15

й л

& 10

л и

с

В 5

н 5

13,0 10,5

В,4

В,0

10,1 8,6

7,0

у=11-0,2х

9,2

----7,9

.....~6,4

-1-- 5 см -1--1- 10 см 15 см -1-1- 20 см

1 2016 г. -■■ 2017 г. 2018 г.

0

Рисунок 5 - Изменение температура песчаного грунта по глубине за вегетационный период (2016-2018 гг.), 0С

«Температура грунта все годы была существенно ниже оптимальных значений для активного роста и развития многолетних трав. Одной из главных причин низкой температуры грунта является постоянное близкое залегание мерзлоты к поверхности. По этой причине тесная связь между температурой воздуха и почвы в течение вегетационного периода имеется лишь в самой верхней части профиля» [125]. Между температурой воздуха и грунта за трехлетний период установлены следующие средние коэффициенты корреляции: на глубине 5 см - 0,91; 10 см -0,88; 15 см - 0,85; 20 см - 0,83 (Приложения Ж, З, И, К).

Анализ полученных данных показывает, что в годы исследований среднесуточная температура воздуха существенно отличалась. Например, в 2016 г. ее среднее значение за вегетационный период составило 11,1 0С, в 2017 г. - 13,2 0С, в 2018 г. - 12,0 0С. В результате значительно изменялась и температура почвы. В 2016 г. на глубине 5 см средняя температура грунта составила 8,4 0С, 10 см -8,0 0С, 15 см - 7,0 0С, 20 см - 6,4 0С. В 2017 г. при среднесуточной температуре воздуха 13,2 0С температура грунта увеличилась по глубинам соответственно до 10,5 0С, 9,6 0С, 8,6 0С и 7,9 0С. Самая высокая температура грунта определена в 2018 г., чему способствовала очень низкая его влажность из-за дефицита осадков. В результате температура грунта повышалась до 13,0 0С на глубине 5 см, 11,2 0С -10 см, 10,1 0С - 15 см, 9,2 0С -20 см.

С практической точки зрения важно рассмотреть температуру почвы не только в целом за вегетацию многолетних трав, но и по фазам их развития. Мед-

ленное отрастание многолетних трав в первой половине июня все годы исследований было обусловлено низкой температурой почвы (Рисунок 6, прилож. Л). В первых числах июня 2017-2018 гг. температура грунта на глубине 5 см имела даже отрицательную величину (-1,0 0С). Вниз по профилю грунта в это время находилась мерзлота. Устойчивые положительные значения температуры грунта отмечены во все годы начиная со средины первой декады июня.

о 16

о

Июнь Июль Август

■ I декада ■ II декада ■ III декада

Рисунок 6 - Среднедекадная температура грунта в 0,2-метровом слое под многолетними травами в течение вегетационного периода (среднее за 3 года), 0С

Максимальной величины температура грунта достигает в июле месяце. В среднем за три года на глубине 0-20 см в июле температура грунта составила 10,70, что больше на 1,6 0С, чем в среднем за весь вегетационный период. В отдельные дни она существенно превышает средневегетационные значения. В 2016 г. температура достигала своего максимального значения 13 0С на глубине 20 см 5 июля; в 2017 г. - 6 июля - 11 0С; в 2018 г. - 21 июля - 18,7 0С. Как отмечалось ранее, обусловлено это температурой воздуха. В разрезе лет исследований данная связь выглядит следующим образом: 2016 г. - коэффициент корреляции между температурой грунта и воздуха для глубины 5 см - 0,94; 10 см - 0,93; 15 см - 0,92; 20 см - 0,92; 2017 г. - соответственно 0,91, 0,90, 0,86; 0,82; 2018 г. - 0,81, 0,71, 0,64, 0,62.

Другой важной особенностью температурного режима северных песчаных грунтов являются резкие колебания температуры не только в целом за вегетационный период, но и в течение короткого срока. Например, 21 июня 2016 г. на глубине 5 см температура была равна 14 0С, через 3 дня она понизилась до 8 0С, т.е. почти в два раза. Примерно такое же снижение температуры произошло на глубинах 10, 15 и 20 см. Еще более значительное снижение температуры отмечено в конце первой декады июля. Если температура в первой декаде июля на глубине 20 см составила 11,3 0С, то во второй - только 7,4 0С. В третьей декаде июля она вновь значительно возросла, достигнув величины 10 0С. Аналогичное явление происходило и в другие два года исследований. Резкие перепады температуры почвы в течение вегетационного периода отрицательно влияли на рост и развитие многолетних трав.

В песчаном грунте имеет место относительно равномерное распространение температуры по всему двадцатисантиметровому слою [129]. В среднем за 3 года исследований это выглядит следующим образом. Если принять температуру грунта на глубине 5 см за 100%, то на глубине 10 см она составит 90,6 %; 15 см - 81,1; 20 см -73,6%. Полученные результаты косвенно свидетельствуют о высокой теплопроводности грунта, подлежащего рекультивации. Важно отметить, что на температуру грунта по всему верхнему слою, кроме температуры воздуха, оказывают осадки. В 2017 г. отмечена максимальная температура воздуха 13,2 0С в среднем за вегетацию. В этот год за вегетацию выпало 180 мм осадков. В 2018 г. температура воздуха была ниже на 0,6 0С, а количество осадков меньше на 38,9 мм. Влажность грунта в слое 020 см в 2017 г. составила 0,44 НВ, в 2018 г. - 0,26 НВ. Существенное снижение влажности грунта в 2018 г. сократило теплоемкость, что обеспечило лучшее прогревание и повышение температуры в среднем за вегетацию на 1,8 0С.

Для успешного проведения обработки грунта с целью борьбы с сорной растительностью, определения оптимальных сроков сева и др. агротехнических приемов необходимо знать начало вегетационного периода (даты перехода температуры через 5 0С). Нашими исследованиями установлено, что переход температуры через 5 0С все годы происходил примерно в одни сроки во второй декаде июня

(Таблица 8). Следует отметить, что в слое грунта 0-10 см различий в дате перехода температуры через 5 0С практически нет. Максимальное различие 2-4 дня достигает на глубине 15-20 см. Причины позднего весеннего перехода температуры через 5 0С - низкая температура воздуха, близкое залегание мерзлоты к поверхности, относительно высокая влажность грунта.

Таблица 8 - Даты весеннего перехода температуры песчаного грунта через 5 0С

Глубина, см Годы

2016 2017 2018

5 14.У1 12.У1 13.У1

10 15У1 13.У1 14.У1

15 17.У1 13.У1 15.У1

20 18.У1 14.У1 16.У1

Важной отличительной особенностью температуры почвы в условиях Крайнего Севера, как ранее отмечалось, является ее непостоянство. Проявляется это в течение всего вегетационного периода. В 2016 г. температура почвы 5 августа на глубине 5-10 см опустилась до 40, 15 см - 30, 20 см - 2 0С. На следующие сутки она увеличилась до 7-8 0С по всему слою 0-20 см. В 2017 г. снижение температуры менее 5 0С происходило 19 июня, 20 июля. Температура воздуха в этот период была 8,6 и 8,9 0С. Исключением является 2018 г., когда в течение вегетационного периода не отмечено температуры ниже 5 0С.

Период с температурой почвы выше 10 0С характеризуется еще большей неустойчивостью (Таблица 9). Особенно ярко это проявилось в 2016 г., когда переход температуры на глубине 0-15 см произошел в конце первой декады июня (18.У1). Через 6 дней температура по всему слою 0-20 см снизилась до 6-8 0С. Начиная с 11 по 27 июля температура по всему слою 0-20 см находилась на уровне 5-9 0С. Только один раз 28 августа в результате высокой температуры воздуха она повышалась до 11-15 0С. После этой даты температура грунта уже составляла 2-4 0С и более не достигала значения 10 0С до конца вегетационного периода. В 2017 г. нами также отмечены резкие колебания температуры грунта.

Таблица 9 - Даты перехода температуры песчаного грунта через 10 0С (2016-2018 гг.)

Глубина, см Переход Период с температурой 100С и более, дней

весенний осенний

5 13-17.У1 10.УП-9.УШ 23-57

10 14-18.У1 10.УП-6.УШ 22-53

15 15У1-12.У11 10.УП-5.УШ 22-26

20 21.У1- 19У11 9.УП-5.УШ 18-24

Снижение температуры грунта до 3-5 0С произошло через 6 дней (19.У1) после первоначального ее перехода через 10 0С. На четвертые сутки после снижения температура повысилась до 11-14 0С. На глубине 5-15 см температура выше 10 0С продержалась 17 дней. В этот период на глубине 20 см температура грунта не превышала 8-9 0С. С 9 по 20 июля температура вновь опустилась до 4-7 0С. В период с третьей декады июля и до 5 августа температура по всему слою 0-20 см превышала 10 0С, достигая 10-14 0С. В 2018 г. по-иному складывался температурный режим грунта. Прежде всего, в слое 0-10 см после перехода через 10 0С температура не опускалась ниже этой величины до конца вегетационного периода. На глубине 15-20 см из-за медленного оттаивания грунта постоянный переход температуры через 10 0С произошёл 9-12 июля. Ранее только в течение суток (29 июня) температура на этой глубине поднималась до 11-12 0С.

Низкая температура грунта и запаздывание ее перехода через 10 0С обусловливают накопление малой суммы активных температур (Таблица 10).

Таблица 10 - Сумма активных среднесуточных температур грунта за вегетационный период (2016-2018 гг.), 0С

Глубина, см Год Среднее за 3 года

2016 2017 2018

5 179,8 364,0 508,2 350,7

10 159,9 319,2 442,2 307,1

15 100,8 265,6 227,8 198,1

20 64,5 71,7 179,2 105,1

Максимальная сумма активных температур по всему слою 0-20 см накоплена в 2018 г. Произошло это, прежде всего, за счет более раннего весеннего и позднего осеннего перехода температуры почвы через 10 0С. Вниз по профилю грунта на глубине 15-20 см различия по сумме активных температур достигают максимума. Самая минимальная сумма активных температур установлена в 2016 г.

В целом можно отметить острый дефицит тепла для активного роста и развития всех культур, включая многолетние травы. Это обстоятельство диктует необходимость тщательного подбора трав при формировании рекультивационной травосмеси.

4 АГРОХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА И ПИТАТЕЛЬНЫЙ РЕЖИМ ПЕСЧАНЫХ ГРУНТОВ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ АГРОМЕЛИОРАТИВНЫХ ПРИЕМОВ БИОЛОГИЧЕСКОЙ РЕКУЛЬТИВАЦИИ

4.1 Влияние доломитовой муки и торфа на агрохимические свойства и питательный режим песчаных грунтов

Исследованиями установлено, что содержание гумуса [66] в грунте на контрольных делянках в слое 0,2 м очень низкое. Его количество резко возрастает при внесении торфа, особенно дозой 150 т/га. Например, добавление в слой почвы 0,2 м 50 т/га торфа увеличивает содержание гумуса в 13,6 раза, 150 т - в 126,5 раз. При этом внесение доломитовой муки различными дозами не оказало существенного влияния на содержание гумуса в почве на всех фонах с использованием торфа. Из этого следует вывод, что увеличение гумуса в почве напрямую обеспечивается только внесением органических удобрений.

Внесение торфа без дополнительного использования доломитовой муки повышает актуальную и гидролитическую кислотность песчаного грунта (Таблица 11).

Таблица 11 - Влияние доз почвенных мелиорантов торфа и доломитовой муки на агрохимические показатели рекультивируемой почвы песчаного карьера, среднее за 2016-2018 гг.

Варианты опыта* Гумус, % рН (сол.) Нг мг-экв./100 г почвы Са Мв

Доза торфа, т/га (А) Доза доломитовой муки, т/га (В) мг-экв./100 г почвы

0 0 0,22 4,15 0,83 0,97 0,56

50 0 2,99 4,15 3,79 1,68 0,44

2 3,18 4,35 4,42 2,25 0,38

6 3,20 4,30 - 3,25 0,26

100 0 7,06 3,60 2,50 2,50 1,70

2 6,25 4,15 2,90 5,50 1,44

6 6,28 4,65 2,50 7,37 1,51

150 0 7,83 3,70 3,40 6,25 2,00

2 8,04 4,10 4,20 9,98 3,14

6 8,25 4,45 3,95 10,30 2,82

НСР05 фактора А 0,70 0,16 - 0,65 0,46

НСР05 фактора В 1,88 0,32 - 1,28 0,97

Примечание. * - на фоне внесения №0РэдК90.

При внесении 150 т/га торфа рН(сол) увеличивается на 0,45 ед. Связано это с подкисляющим действием торфа, поскольку он имел более высокую кислотность

по отношению к песчаному грунту. Эффективность доломитовой муки в значительной степени зависела от дозы внесенного торфа. Максимальное положительное действие доломитовой муки по снижению кислотности установлено на делянках опыта с внесением минимального количества торфа (50 т/га). Здесь рН(сол.) на фоне внесения 6 т/га доломитовой муки снизилась на 2,15 ед., достигнув величины близкой к нейтральной. Гидролитическая кислотность на этом варианте изменилась в несколько раз меньше по сравнению с высокими дозами торфа. Полученные результаты подтверждают высокую буферную способность торфа.

Песчаный грунт, подлежащий рекультивации, содержит малое количество обменных оснований. Их величина существенно увеличивается при внесении торфа, особенно содержание кальция. Например, внесение 50 т/га торфа повысило содержание кальция на 0,71 мг-экв./100 г (1,7 раза), 150 т - 5,28 мг-экв./100 г почвы (6,4 раза). Количество магния также возрастает, но значительно меньше, чем кальция. Существенную роль на содержание обменного кальция оказала доломитовая мука. При этом необходимо отметить, что действие доломитовой муки по -разному проявилось в зависимости от дозы внесения торфа. В варианте с внесением 50 т/га торфа добавление 8 т/га доломитовой муки повысило содержание кальция на 33,4%, 6 т/га - на 93,4%. На варианте, где было внесено 150 т/га торфа, количество кальция выросло на 244,8%. Относительно магния аналогичная зависимость отчетливо не просматривается.

Исходное содержание питательных веществ в грунте очень низкое (Таблица 12). Поэтому положительный результат биологической рекультивации может быть достигнут только при использовании различных агромелиоративных приемов. Увеличение содержания общего азота в обрабатываемом слое грунта достигается внесением торфа. При этом наибольшее количество общего азота содержится в варианте с использованием 150 т/га торфа. Внесение доломитовой муки не оказывает влияния на содержание общего азота в грунте.

Получены важные данные в научном и практическом отношении по содержанию доступного фосфора. Внесение всех доз торфа при высокой кислотности грунта не оказало положительного влияния на величину фосфора.

Таблица 12 - Влияние торфа и доломитовой муки на содержание питательных _веществ в песчаном грунте, среднее за 2016-2018 гг.__

Варианты опыта* К, % Р2О5 К2О N03 КН4

Доза торфа, т/га (А) Доза доломитовой муки, т/га (В)

мг/кг

0 0 0,06 102,9 32,5 1,17 6,25

50 0 0,074 114,5 43,8 1,15 10,83

2 0,105 101,3 52,5 1,16 9,38

6 0,071 104,8 55,0 1,50 9,27

100 0 0,551 105,5 57,5 1,23 16,45

2 0,584 183,0 125,0 1,44 39,58

6 0,591 170,5 137,5 1,67 64,6

150 0 0,922 102,8 80,0 11,7 58,33

2 0,711 155,1 125,0 15,0 60,40

6 0,922 179,0 125,0 17,6 68,80

НСР05 фактора А 0,012 6,4 8,9 0,11 7,6

НСР05 фактора В 0,229 28,85 21,6 0,32 11,7

Примечание. * - на фоне внесения №0РэдК90.

Снижение кислотности торфа и грунта за счет внесения 6 т/га доломитовой муки обеспечило увеличение количества доступного фосфора: на фоне 100 т/га - на 67,6 мг/кг; 150 т - на 76,1 мг/кг. Результаты анализов подтверждают, что использованный торф содержит малое количество доступного фосфора. Поэтому внесение фосфорных удобрений должно быть обязательным приемом при рекультивации песчаных грунтов.

Подвижный калий в песчаном грунте находится еще в меньшем количестве по сравнению с доступным фосфором. На контрольном варианте его количество составляет всего 32,5 мг/кг почвы, что в 3,2 раза меньше, чем фосфора. Внесение торфа увеличивает содержание подвижного калия: на фоне 50 т/га - на 11,3 мг (34,8%); 100 т/га - на 25 мг (76,9%); 150 т/га - на 47,5 мг (146,1%). Объясняется это тем, что почти весь калий в торфе находится в подвижной форме из-за отсутствия двух-трехслойных минералов типа монтмориллонита и каолинита. Влияние доломитовой муки на содержание подвижного калия в грунте заметно не проявляется.

Среди питательных веществ в минимальном количестве представлены нитратный и аммонийный азот. Особенно мало содержится нитратного азота, что подчеркивает очень жесткие гидротермические режимы в песчаном грунте в условиях Крайнего Севера. Только внесение высокой дозы торфа обеспечивает

значительное его увеличение. Этого количества нитратного азота совершенно недостаточно для нормального роста и развития многолетних трав.

Основная часть минерального азота в грунте представлена его аммонийной формой. На контрольных делянках она составляет 84,2%. Внесение 50 т/га торфа увеличивает количество аммонийного азота на 4,58 мг/кг (73,3%), 100 т/га - 10,2 мг (163,2%), 150 т/га - 52,08 мг/кг (833,3%). Доломитовая мука дозой 6 т/га при внесении торфа в количестве от 100 до 150 т/га повышает содержание аммонийного азота.

Следует отметить, что эффективность доломитовой муки значительно ниже, чем от внесения торфа. Максимальный результат получен при совместном использовании торфа и доломитовой муки.

4.2 Влияние минеральных удобрений на агрохимические свойства и питательный режим песчаных грунтов

Песчаные грунты, подлежащие рекультивации, как отмечалось ранее, имеют очень низкое содержание гумуса (0,22%) и высокую кислотность (рНсол. 4,15) [67]. Поэтому нами было принято решение изучить влияние минеральных удобрений на фоне внесения 100 т/га торфа и 2 т/га доломитовой муки. Отбор почвенных образцов в слое 0,2 м был проведен на четвертый год жизни многолетних трав. Было установлено, что систематическое внесение минеральных удобрений снижает содержание органического вещества в пахотном слое (Таблица 13). Особенно заметно это проявляется на варианте, где вносили КшРшКш. На этом варианте содержание гумуса снизилось на 0,56% (18%). Можно полагать, что снижение гумуса обусловлено за счет его минерализации в связи с повышением активной деятельности целлюлозоразлогающих бактерий. Малые дозы минеральных удобрений практически не оказали влияния на количество гумуса, даже незначительно (на 0,22 - 6,0%) стимулировали его увеличение. Полученные результаты по содержанию гумуса подтверждают, что использование минеральных удобрений не приводит к радикальному изменению его количества в песчаном грунте.

Таблица 13 - Влияние доз внесения минеральных удобрений на агрохимические показатели песчаного грунта рекультивируемой почвы лесотундровой зоны

Вариант* Гумус, % рН (сол.) Нг мг-экв./100 г почвы Са Мв

мг-экв./100 г

Без удобрений (контроль) 3,67 6,1 0,54 6,37 1,70

К45Р45К45 3,89 5,6 0,46 7,75 1,88

КэдРэдКэд 3,17 5,3 0,53 6,63 1,73

К135Р135К135 3,11 5,1 - 8,10 1,65

НСР05 0,4 0,2 - 1,8 0,2

Примечание. * - на фоне внесения 100 т/га торфа и 2 т/га доломитовой муки

Минеральные удобрения повышают обменную кислотность. В результате трехлетнего внесения физиологически кислых удобрений обменная кислотность повышалась на всех фонах. Особенно существенное подкисление (на 1,0 ед. рН -19,6%) установлено при внесении МЫшРшК^. Важно подчеркнуть, для предотвращения увеличения кислотности возникает потребность проведения известкования доломитовой мукой повышенными дозами (более 2 т/га).

Анализ полученных данных показывает, что внесение минеральных удобрений обеспечивает увеличение содержания обменных оснований, особенно магния. По сравнению с контролем максимальное количество магния возросло в 2,3 раза при внесении К135Р135К135. В абсолютных величинах напротив, преимущество остается за содержанием кальция. На варианте внесения минеральных удобрений дозой К135Р135К135 количество кальция превышает в 4,9 раза содержание магния. Следует отметить, что увеличение дозы минеральных удобрений с К45Р45К45 до Н135Р135К135 (в 3 раза) повышает содержание кальция всего на 0,35 мг-экв./100 г почвы (4,5%), магния - на 0,77 мг-экв./100 г почвы (87,5%) [160]. Для получения окончательных выводов по динамике содержания обменных оснований необходимо проведение дополнительных исследований.

Внесение минеральных удобрений существенно повысило содержание всех подвижных форм питательных веществ, кроме нитратного азота (Таблица 14). Минеральный азот на контрольных делянках представлен на 85,4% аммонийной формой. Из этого следует, что в песчаном грунте в условиях Крайнего Севера отсутствуют оптимальные условия для окисления аммония до нитратов. При внесении минеральных удобрений доля аммонийного азота увеличивается до 90,5-92,0%.

Важно отметить, что внесение удобрений не только увеличивает процентное содержание аммония от общего количества минерального азота, но и его величину.

Таблица 14 - Влияние минеральных удобрений на содержание питательных веществ в песчаном грунте (среднее за 3 года)

Вариант* Р2О5 К2О N03 ККН4

мг/кг

Без удобрений (контроль) 108,9 47,5 1,50 8,75

К45Р45К45 217,7 70,0 1,48 14,17

КэдРэдКэд 272,2 85,0 1,75 16,88

К135Р135К135 292,3 137,5 1,60 18,54

НСР05 19,5 26,3 0,22 2,1

Примечание. * - на фоне внесения 100 т/га торфа

Количество нитратного азота при внесении удобрений увеличивается всего на 1-1,5 мг-экв./100 г почвы, т.е. практически остается на уровне контроля. Совершенно иная картина складывается с содержанием аммонийного азота. Максимальная прибавка 5,42 мг-экв./100 г почвы (61,9%) аммонийного азота по сравнению с контролем установлена при внесении удобрений дозой К45Р45К45. Увеличение дозы удобрений в 3 раза повышает количество аммонийного азота на 4,37 мг-экв./100 г почвы (30,8%). Такое положение может быть связано с двумя причинами: во-первых, высоким выносом с урожаем многолетних трав на фоне К135Р135К135; во-вторых, промывным типом водного режима песчаного грунта по причине легкого гранулометрического состава.

Содержание доступного фосфора в корнеобитаемом слое (0,2 м) без внесения удобрений на фоне 100 т/га торфа остается практически на уровне песчаного грунта. Причина заключается в очень низком (3-5,5 мг/кг почвы) содержании подвижного фосфора в торфе. Как известно, основная часть фосфора в торфе находится в форме органических соединений доступных растениям после его минерализации [127]. Минерализация органического вещества торфа в условиях Крайнего Севера протекает при низких температурах очень медленно, что подтверждается малой степенью его разложения. Накопление доступного фосфора происходит при внесении всех доз минеральных удобрений. Наибольшее увеличение (183,4 мг/кг почвы) по сравнению с контролем установлено при внесении 135 кг/га фос-

фора. Существенное накопление доступного фосфора свидетельствует о его хорошей закрепляемости при обогащении песчаного грунта торфом.

Многолетние травы более успешно переносят действие низких температур при хорошей обеспеченности почвы калием [80]. В песчаном грунте содержание калия не превышает 25-32,5 мг/кг. Внесение 100 т/га торфа повысило его количество всего на 15 мг/кг. Полученные результаты еще раз подтверждают, что торф нельзя рассматривать в качестве источника увеличения содержания калия в песчаном грунте. При образовании торфа большая часть калия в растительных остатках минерализуется и выщелачивается. Низкие запасы калия в грунте предопределяют высокую эффективность калийных удобрений. Внесение 45 кг д.в./га калия повышает его содержание в 0,2-метровом слое на 22,5 мг/кг (47,4%); 135 кг д.в./га - на 90 мг/кг (289,5%). Следует отметить активное накопление подвижного калия при внесении высокой дозы удобрений. Объясняется это, очевидно, дефицитом осадков в годы исследований, что сводило к минимуму вымывание калия из верхнего слоя.

5 ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ ИСКУССТВЕННОГО ФИТОЦЕНОЗА МНОГОЛЕТНИХ ТРАВ В УСЛОВИЯХ КРАЙНЕГО

СЕВЕРА

«Природные экосистемы Крайнего Севера, как отмечалось ранее, отличаются повышенной ранимостью и хрупкостью, обусловленной нестабильностью мно-голетнемерзлых пород, резкими колебаниями абиотических условий» [117]. «Зоны сильных нарушений практически самостоятельно не восстанавливаются и нуждаются в незамедлительной биорекультивации. Это достигается внесением органических и минеральных удобрений, известкованием, посевом местных видов многолетних трав» [5, 22, 66, 67, 75, 119].

5.1 Формирование корневой системы и фитомассы многолетних трав в зависимости от уровня минерального питания и почвенной кислотности

В результате многолетних исследований нами установлено, что создание плодородного слоя с помощью торфа и внесения доломитовой муки на фоне внесения К90Р90К90 обеспечило достаточно активное развитие многолетних трав и формирование прочной дернины на песчаном грунте. Количество продуктивных побегов в варианте опыта с внесением 50 т/га торфа примерно в два раза превышало их величину на контроле (Рисунок 7, прилож. М).

Увеличение дозы торфа в 2 раза повысило количество побегов многолетних трав на 52 шт./м2 (15%), в 3 раза - на 151 шт./м2 (43,6%). Полученные результаты показывают, что эффективность внесения высоких доз торфа снижается, несмотря на увеличение общего числа продуктивных побегов.

Известкование также оказывает положительное влияние на развитие побегов многолетних трав. При этом эффективность внесения доломитовой муки зависит от дозы торфа.

При внесении 50 т/га торфа доломитовая мука повышало количество продуктивных побегов на 21-36 шт./м2 (6,1-11,0%); 100 т/га - на 96-166 шт./м2 (24,141,7%); 150 т/га - на 97-173 шт./м2 (19,5-34,8%).

^ 750 ./т

а

в, 650

овг

е

550

450

о в т с е ч и

ло 350

250

150

50

у=182+2,5х1+13,9х2 К2 =0,97

564

494

376 398

_. X •

670 594 497

367

346

165

0 т/га

Доломитовая мука:

50 т/га

0 т/га

100 т/га

2 т/га

150 т/га 8 т/га

Рисунок 7 - Влияние торфа и доломитовой муки на плотность травостоя многолетних трав, шт./м2

При рекультивации нарушенных земель важнейшим показателем является накопление корневой массы, которая определяет устойчивость ландшафта, его сопротивляемость эрозионным процессам. В наших исследованиях на контрольных делянках основная часть корневой массы (58%) располагалась в слое почвы 0-10 см (Рисунок 8, прилож. Н). На глубине 10-20 см ее было уже в 2 раза меньше. Самое низкое количество корневой массы (14%) определено в слое 20-30 см. Обусловлено это прежде всего снижением температуры почвы вниз по профилю из-за близкого залегания мерзлоты. В целом необходимо отметить слабое развитие корневой системы многолетних трав на контрольных делянках опыта по причине дефицита питательных веществ и высокой кислотности песчаного грунта.

Внесение 50 т/га торфа увеличило массу корней многолетних трав в слое 030 см на 0,3 т/га (60%), 100 т/га - в 4,2 раза (212%). При этом распределение массы корней по профилю грунта практически не изменилось.

Положительное действие торфа резко возрастает на фоне с доломитовой мукой. Например, при внесении 50 т/га торфа масса корней в слое 0-30 см была равна

0,8 т/га, в сочетании с доломитовой мукой она увеличилась в 1,3-2,6 раза. Максимальная масса корней получена на варианте внесения 8 т/га доломитовой муки.

л 1 4

(ч 1

«

ш Я а

О

и й О

о й

2 0,8

1,2 1

0,6 0,4 0,2 0

0 т/га

Доломитовая мука:

50 т/га

0 т/га

2 т/га

100 т/га ■ • 6 т/га

Рисунок 8 - Влияние доз внесения торфа и доломитовой муки на накопление массы корней в слое 0-10 см в агроценозах многолетних трав четвёртого года жизни,

т/га

Увеличение дозы торфа до 100 т/га также способствует повышению эффективности доломитовой муки, но в меньших абсолютных величинах. Доломитовая мука дозой 2 т/га на фоне внесения 100 т/га торфа увеличило массу корней всего на 0,23 т/га (22%) по сравнению с вариантом внесения 50 т/га. При использовании 6 т/га доломитовой муки разница составила 0,27 т/га (16,4%), 8 т/га - 0,32 т/га (15,2%). Полученные результаты показывают, что корневая система многолетних трав активно развивается при создании плодородного слоя за счет внесения торфа и доломитовой муки.

В соответствии с различным состоянием травостоя находилась и его продуктивность (Таблица 15). На песчаном грунте в варианте опыта без внесения торфа (контроль) растения были самыми редкими и низкорослыми (30-40 см), соответственно и урожайность трав здесь наблюдалась минимальная - 0,39-0,69 т/га. Внесение торфа дозой 50 т/га позволило увеличить сбор сухого вещества в 2,9 раза в среднем за три года. Прибавка урожая сухого вещества трав в этом слу-