Матричная организация почв рисовых агроландшафтов Кубани

Рисовые почвы встречаются в широком географическом диапазоне и сформированы сложной системой специфических мероприятий, как из гидроморфных, так и автоморфных почв [1]. Любые почвы, измененные периодическим затоплением и агротехническими приемами, необходимыми при выращивании риса, традиционно называют рисовыми (paddy soils), акваризёмами [2], аквазёмами [2, 3]. В Краснодарском крае зона рисосеяния расположена на пойменных и плавневых землях в низовьях реки Кубани. Основными типами почв рисовых агроландшафтов являются лугово-черноземные, аллювиально-луговые, луговые, лугово-болотные. Рисовые почвы образовались в результате трансформации полнопрофильных почв, но чаще сформировались на месте почв, частично или полностью нарушенных при планировке и конструировании рисовых чеков. Вследствие искусственного создания выровненного рельефа путем перемещения значительных масс почвогрунтов при строительстве рисовой системы и нивелировки поверхности, произошли значительные изменения в исходном морфологическом строении большинства почв. Однако использование почв более 20 лет в рисовом севообороте нивелировало их свойства. Одним из ведущих факторов, влияющих на морфологические, физические и физико-химические показатели почв, является длительное затопление в течение 4−5 месяцев. На фоне специфического окислительно-восстановительного режима трансформация железа из одних форм в другие происходит очень быстро [4−7], причем процесс зависит от кислотности среды. Восстановление Fe³⁺ до Fe²⁺ в почве начинается при рН=6,0 на фоне снижения окислительно-восстановительного потенциала (ОВП) до 220 мВ, а также при кислотности рН=7,0 и ОВП 160 mV [8].

Чередование окислительных и восстановительных условий, обусловленных спецификой возделывания риса, затрагивают изменения всей почвы. Однако, Иширо Канно, которого называют «отцом рисовых почв», считал, что они все же сохраняют в своей памяти основные черты гранулометрического и минералогического составов исходной почвы [1]. В настоящее время вопрос о неизменности почвенных алюмосиликатов до сих пор остается дискуссионным [9]. В связи с этим исследования по оценке свойств минеральной матрицы почв рисовых агроландшафтов являются актуальными.

Минеральная матрица представляет собой поверхность минеральных частиц почвы, которая характеризуется активными центрами: кислотной и основной природы. Причем, она имеет выраженный кислотный характер [10]. Вокруг неё формируются адсорбированные слои различной природы, включая гумусовые вещества и микроорганизмы. Матричные свойства почва наследует от почвообразующей породы, но в процессе почвообразования сама матрица тоже трансформируется [11].

Цель работы — определить свойства минеральной матрицы рисовых почв Кубани, выявить связи с содержанием гумуса, соединениями железа, гранулометрическим составом и урожаем риса.

Объекты и методы исследования. Исследования проведены на рисовой оросительной системе ФГУ ЭСП «Красное» Красноармейского района Краснодарского края. В пределах землепользования хозяйства были заложены почвенные разрезы:

Разрез № 1. Вид угодий: высокий рисовый чек. Предшественник — рис по рису 2 года. Почва — лугово-черноземная среднесуглинистая.

Разрез № 3. Вид угодий: высокий рисовый чек. Предшественник — рис по рису 80 лет (бессменный посев риса с 1937 г.). Почва — лугово-черноземная тяжелосуглинистая.

Разрез № 4. Вид угодий: высокий рисовый чек. Предшественник — оборот пласта многолетних трав. Почва — лугово-черноземная среднесуглинистая.

Разрез № 5. Вид угодий: низкий рисовый чек. Предшественник — рис по рису 2 года. Почва — лугово-болотная среднеглинистая.

Разрез № 9. Вид угодий: низкий рисовый чек. Предшественник — рис по рису 3 года. Почва — лугово-болотная легкоглинистая.

Разрез № 11. Вид угодий: богарная пашня. Расположена в непосредственной близости от рисовой оросительной системы. Почва — лугово-черноземная тяжелосуглинистая.

Разрез № 12. Вид угодий: высокий рисовый чек. Предшественник — занятой пар. Почва — лугово-черноземная легкоглинистая.

Разрез № 14. Вид угодий: низкий рисовый чек. Предшественник — многолетние травы 2 года. Почва — лугово-болотная легкоглинистая.

Разрез № 15. Вид угодий: залежь, расположенная на рисовой оросительной системе. В рисовый севооборот ранее не вовлекалась. Почва — лугово-черноземная тяжелосуглинистая.

Разрез № 16. Вид угодий: высокий рисовый чек, выведенный из-под рисосеяния с 2007 г. Почва — лугово-черноземная легкоглинистая.

Морфологические, физические и физико-химические свойства лугово-черноземных и лугово-болотных почв были опубликованы ранее [5, 6, 12−14].

В качестве объекта исследования послужили почвенные образцы, отобранные из пахотного (А_пах) и подпахотного (А) горизонтов. В них определяли содержание подвижных форм соединений железа в 0,1 N растворе H₂SO₄ по методу Казариновой-Окиной в модификации Коптевой; аморфного железа в оксалатной вытяжке по Тамму; общего гумуса по Тюрину со спектрофотометрическим окончанием. Гранулометрический состав почвы определяли с раствором пирофосфата натрия [15]. Для изучения кислотности минеральной матрицы исследуемых почв применяли метод термопрограммированной десорбции аммиака [10] с помощью прибора УСГА-101 (ООО «УНИСИТ», Россия). Аммиак адсорбируется на кислотных центрах, поэтому его используют в качестве теста на кислотные центры минеральных катализаторов.

Образец почвы (частицы с размером от 0,25 до 1,00 мм) помещался в кварцевый реактор, подвергался предварительной обработке в потоке гелия (20 мл/мин) со скоростью 20^оC/мин до температуры 500^оС, прокаливался при этой температуре в течение 1 ч, а затем охлаждался до 60^оС. Насыщение почвы аммиаком из потока аммиачно-азотной смеси проводилось в течение 15 мин, после чего образец продувался в токе гелия (30 мл/мин) при температуре 100^оС в течение 1 ч для удаления физически сорбированного аммиака. Далее температура реактора снижалась до 60^оС, и начинался линейный нагрев образца со скоростью 8^оС/мин до 500^оС в потоке гелия (30 мл/мин). Выделяющийся аммиак регистрировался детектором по теплопроводности. Расчет количества десорбированного аммиака производился программой Results treatment. Кислотность почвенной минеральной матрицы (ПММ) выражали в адсорбционной ёмкости аммиака с погрешностью ± 3 мкмоль/г в соответствии с интервалом температуры его десорбции (табл.1).

Таблица 1. Спектр кислотных центров почвенной минеральной матрицы.

Кислотные свойства минеральной части почвы характеризовали величиной адсорбционной ёмкости по аммиаку в мкмоль на 1 г.

Особенности минеральной матрицы почв разного типа пользования. На рисовой системе выделены следующие антропогенные элементы рельефа: низкие и высокие чеки. Адсорбционная ёмкость минеральной матрицы в пахотных горизонтах рисовых почв в зависимости от высотного их расположения варьирует в диапазоне от 33 до 51 мкмоль/г, в подпахотных — от 32 до 61 мкмоль/г (рис. 1). В условиях богары адсорбционная ёмкость NH₃ составляет соответственно 53 и 46, залежи — 38 и 44 мкмоль/г. В пахотных горизонтах низких чеков общая кислотность минеральной матрицы гораздо выше (51−53 мкмоль NH₃/г), чем на высоких (34−45 мкмоль NH₃/г). Рисовое поле, выведенное из-под рисосеяния, занимает промежуточное положение по кислотным свойствам между высокими и низкими чеками — 42−43 мкмоль/г.

Рис. 1. Общая адсорбционная ёмкость по аммиаку минеральной матрицы лугово-черноземных и лугово-болотных почв

Дифференциация верхних горизонтов по кислотности ПММ. Почвенно-генетические горизонты рисовых почв различаются по кислотным свойствам минеральной матрицы. Наблюдается следующая особенность: в подпахотном горизонте А кислотных центров больше, чем в пахотном А_пах, частота встречаемости составляет 67%. Причем, дифференциация горизонтов А_пах и А по кислотности минеральных матриц более выражена в почвах высоких рисовых чеков и менее заметна в низких чеках. Таким образом, кислотные свойства минеральной матрицы рисовых почв зависят от мелиоративного их состояния и горизонта — на низких чеках отмечается повышенная кислотность минеральной матрицы, на высоких чеках — пониженная. минеральный мелиоративный почва гумус.

Кислотность минеральной матрицы и гранулометрический состав почв. Свойства минеральной матрицы зависят от гранулометрического состава почвы. Как правило, с утяжелением гранулометрического состава или увеличением содержания ила и физической глины растёт общая удельная поверхность почвы и соответственно число активных центров. Однако, при одинаковом гранулометрическом составе число и сила кислотных центров могут варьировать в зависимости от химических свойств почвы [10]. В исследуемых рисовых почвах также отмечается общая тенденция роста кислотности минеральной матрицы с увеличением содержания фракций ила и физической глины (рис. 2).

Рис. 2. Общая кислотность минеральной матрицы исследуемых почв в зависимости от содержания ила и физической глины

Для низких чеков лугово-болотных почв характерен более тяжелый гранулометрический состав с содержанием физической глины 72,2−77,8% в пахотном и 72,7−80,3% в подпахотном горизонтах, отличающихся более стабильной кислотной матрицей 51−53 и 51−61 мкмоль NH₃/г соответственно. На высоких чеках лугово-черноземных почв содержание физической глины сильно варьирует от 39,2 до 68,7 в горизонте А_пах до 41,1−70,7% в горизонте А. При таком существенном разбросе в содержании физической глины кислотность минеральной матрицы также неодинаковая — от 33−45 в пахотном до 32−51 мкмоль NH₃/г в подпахотном горизонтах. На рисунке 3 выделены области для высоких (сплошная линия окружности), низких чеков (крупная пунктирная линия окружности) и почв вне рисового севооборота (мелкая пунктирная линия) по кислотности минеральной матрицы и фракциям гранулометрического состава.

Рис. 3. Общая кислотность минеральной матрицы исследуемых почв в зависимости от содержания ила (А) и физической глины (В)

Выделенная группа почв мелкой пунктирной линией входит в часть ареала высоких чеков, т. е. они идентичны. К этой группе относятся почвы богарного земледелия (разрез 11), залежь (разрез 15) и поле, выведенное из-под рисосеяния 10 лет назад (разрез 16). Это вполне объяснимо, поскольку почвы высоких чеков и вне рисового севооборота приурочены к повышенным элементам рельефа. Области высоких и низких чеков, различных по условиям залегания от рельефа, не пересекаются (рис. 3).

Особенности минеральной матрицы лугово-черноземной почвы при бессменном посеве риса. Бессменное возделывание риса на лугово-черноземной почве в течение 80 лет привело к значительным изменениям минеральной матрицы, как в пахотном, так и в подпахотном горизонтах: общая кислотность снизилась до 32 и 33 мкмоль NH₃/г соответственно. По гранулометрическому составу почва тяжелосуглинистая с довольно высоким содержанием физической глины в горизонтах А_пах (55,6%) и А (62,0%), однако кислотных центров в ней гораздо меньше, чем в среднесуглинистых (разрезы 1 и 4) и, особенно, глинистых разновидностях почв рисового севооборота (разрезы 12, 5, 9, 14), варьируя в диапазоне 34−61 мкмоль NH₃/г. Следовательно, при использовании лугово-черноземной почвы под монокультуру риса минеральная матрица теряет кислотные свойства, несмотря на высокую дисперсность, обусловленную тяжелым гранулометрическим составом. Но при соблюдении научно-обоснованной системы рисового севооборота трансформация минеральной матрицы этой почвы выражена слабее. Таким образом, полученные данные свидетельствуют об изменениях химических свойств минеральной матрицы лугово-черноземной почвы при бессменном выращивании риса — происходит снижение числа кислотных центров и, вероятно, возрастание центров основной природы.

Минеральная матрица почв и содержание гумуса. Содержание гумуса в пахотном слое рисовых почв варьирует в диапазоне 2,85−3,92%. В почве под бессменной культурой риса его количество снижается до 2,27%. Наиболее обогащенными органическим веществом являются верхние горизонты богары (0−20 см) и залежи (0−30 см) — 4,15 и 4,71% соответственно. Вниз по профилю почвы содержание гумуса снижается. При этом в лугово-болотных почвах содержание гумуса больше в среднем на 15%, чем в лугово-черноземных. Такие различия обусловлены лучшей аэрацией лугово-черноземных почв и более интенсивной минерализацией органического вещества в ней [14].

Установлена пропорциональная связь содержания гумуса верхних горизонтов с кислотными свойствами минеральной матрицы: чем выше кислотность матрицы (адсорбционная ёмкость по NH₃), тем больше содержание гумуса в почве (рис. 4).

Рис. 4. Зависимость содержания гумуса верхних горизонтов от кислотных свойств минеральной матрицы исследуемых почв: А — вне рисового севооборота; В — рисовые почвы

В условиях рисовых почв самая тесная связь (R²=0,70−0,74) с кислотными центрами сильными и средней силы (рис. 4 В). В почвах, не используемых в рисовом севообороте, в т. ч. и рисового поля выведенного из-под рисосеяния 10 лет назад, обнаружена очень тесная связь: R²=0,91−0,97 (рис. 4 А).

Таким образом, содержание гумуса в рисовых почвах пропорционально кислотности минеральной матрицы, причем в почвах вне рисового севооборота установлена очень тесная связь.

Кислотность минеральной матрицы почв и аморфное железо (по Тамму). Аморфное железо служит диагностическим показателем почв с повышенной степенью гидроморфизма. Наибольшее его содержание обнаружено в рисовых почвах (от 0,9 до 1,2%) и залежи (1,0%), а наименьшее? в почве богарных угодий, в т. ч. и выведенной из-под рисосеяния (от 0,5 до 0,7%).

При сравнении высоких и низких чеков выделяются ареалы распределения аморфного железа, приуроченных к минеральной матрице лугово-черноземных и лугово-болотных почв (рис. 5: сплошная окружность для высоких чеков и пунктирная — для низких), однако его содержание в них одного порядка.

Рис. 5. Распределение аморфного железа в зависимости от кислотности минеральной матрицы исследуемых почв

Из этого следует, что количество аморфного железа в рисовых почвах не зависит от размера и кислотности минеральной матрицы. По подвижным формам железа наблюдается обратная зависимость.

Кислотность минеральной матрицы почв и подвижные формы соединений железа (0,1 N H₂SO₄). Содержание двухвалентного железа на высоких чеках лугово-черноземных почв, обладающих менее кислотной матрицей (сплошная линия окружности), снижено в 3−6 раз по сравнению с низкими чеками лугово-болотных почв с более выраженной кислотностью (рис. 6). И наоборот, количество трехвалентного железа больше на высоких чеках и меньше на низких (рис. 7). При этом оксиды трехвалентного железа являются преобладающими — их доля от общего суммарного содержания FeO+Fe₂O₃ варьирует от 74,7−90,7% в лугово-болотных до 92,8−96,6% в лугово-черноземных почвах.

Рис. 6. Распределение подвижного двухвалентного железа в зависимости от кислотности минеральной матрицы рисовых почв

Указанное соотношение подвижных форм железа является следствием неодинакового окислительно-восстановительного состояния рисовых почв. Низкие чеки лугово-болотных почв слабо дренированы и приурочены к замкнутым понижениям плавневой равнины. Поэтому условия аэрации (окислительные процессы) в них выражены слабее, чем на высоких чеках.

Рис. 7. Распределение подвижного трехвалентного железа в зависимости от кислотности минеральной матрицы рисовых почв

Таким образом, содержание подвижных форм соединений железа связано с мелиоративным состоянием рисового поля и общей кислотностью минеральной матрицы. Для почв с менее кислой матрицей на высоких чеках характерно повышенное содержание Fe³⁺ и пониженное Fe²⁺. По содержанию аморфного железа такой связи не обнаружено.

Кислотность минеральной матрицы почв и урожай риса. Наибольший урожай риса формируется на лугово-черноземных почвах высоких чеков (рис. 8). Причем, величина урожая риса не зависела от содержания гумуса в почвах (рис. 9).

Для рисовых почв отмечается тенденция снижения урожайности риса с ростом кислотности минеральной матрицы (рис. 8). Вероятно, часть кислых центров минеральной матрицы рисовых почв трансформировалась в центры основной природы, что благоприятно для их плодородия, ведь основные центры обусловлены обменными катионами щелочных и щелочноземельных элементов, которые одновременно являются элементами питания для растений. Именно кальций, магний, калий и натрий в черноземах играют роль центров основной природы минеральной матрицы степных почв [10]. В почвах гумидной зоны такие центры отсутствуют. Исследования показали, что минеральная матрица рисовых почв связана с гранулометрическим составом и содержанием гумуса. Как установлено ранее, основная часть гумуса в почве находится в матричном состоянии, т. е. закреплена на минеральной поверхности [10]. Поэтому его связь с активными (кислотными) центрами матрицы, на которых и происходит закрепление, вполне очевидна.

Рис. 8. Урожайность риса в зависимости от кислотности минеральной матрицы рисовых почв

Рис. 9. Урожайность риса в зависимости от содержания гумуса в почвах

Отвечая на главный вопрос об изменении почвенной минеральной матрицы в условиях рисосеяния следует сказать:

• 1. Минеральная матрица трансформируется в зависимости от мелиоративного состояния рисового чека, типа почв и гранулометрического состава, а также длительности возделывания риса.
• 2. Максимальные изменения минеральной матрицы лугово-черноземной почвы происходят при бессменном выращивании риса в течении 80 лет. Это подтверждается снижением кислотности минеральной матрицы, несмотря на её высокую дисперсность, обусловленную тяжёлым гранулометрическим составом почвы.
• 3. Наиболее плодородными для возделывания риса являются лугово-черноземные почвы с менее кислой матрицей. Число активных центров или общая кислотность минеральной матрицы содержат информацию о контактах и межфазных взаимодействиях в почвах. С увеличением числа активных центров формируется больше контактов, что приводит к упрочнению почвенных агрегатов. Но имеются пределы — слишком высокая матричная активность, характерная для глинистых разновидностей лугово-болотных почв, приводит к развитию слитизации и ухудшению физических свойств, что неблагоприятно отражается на их продуктивности.
• 4. Содержание гумуса в верхних горизонтах рисовых почв пропорционально кислотности минеральной матрицы. В тоже время не обнаружено связи между содержанием гумусом и урожаем риса. Возможно, особую роль в рисовых почвах играют водорастворимые органические вещества, которые соединяясь с подвижными формами железа мигрируют в нижележащие почвенные горизонты [14].

Выводы

• 1. Кислотные свойства минеральной матрицы лугово-черноземных и лугово-болотных почв Краснодарского края характеризуются общей адсорбционной ёмкостью по аммиаку в диапазоне 32−61 мкмоль/г. Установлена низкая кислотность матрицы при бессменном выращивании риса в течение 80 лет (32−34 мкмоль NH₃/г). Пахотные горизонты характеризуются менее кислой минеральной матрицей, чем подпахотные.
• 2. Выявлена общая тенденция увеличения кислотности минеральной матрицы с утяжелением гранулометрического состава почвы. На низких чеках лугово-болотных почв, более тяжелых по гранулометрическому составу, общая кислотность минеральной матрицы составляет 51−53 мкмоль NH₃/г, на высоких чеках более легких лугово-черноземных почв — 34−45 мкмоль NH₃/г.
• 3. Установлена пропорциональная связь содержания гумуса верхних горизонтов рисовых почв с кислотными свойствами минеральной матрицы. Самая тесная связь с кислотными центрами средней силы и сильными.
• 4. На высоких чеках лугово-черноземных почв, с менее кислой матрицей, увеличивается содержание Fe³⁺ и снижается количество Fe²⁺. Обратная закономерность обнаружена в почве понижений с более выраженными кислотными свойствами матрицы. Аналогичной зависимости для аморфного железа не установлено.
• 5. Не выявлено связей между урожаем риса и содержанием гумуса в рисовых почвах. Наибольший урожай риса достигается на лугово-черноземных почвах с менее кислой минеральной матрицей.

• 1. Герасимова М. И. Антропогенные почвы: генезис, география, рекультивация: учебное пособие / М. И. Герасимова, М. Н. Строганова, Н. В. Можарова, Т. Ф. Прокофьева // Под ред. академика РАН Г. В. Добровольского. — Смоленск: Ойкумена, 2003. — 268 с.
• 2. Tuma K. The classification of soils under rice cultivation (paddy soils) / K. Tuma, K. Kawaguchi // Ann. edafol. agrohiol. — V. 26, 1967.
• 3. Шишов Л. Л. Классификация и диагностика почв России / Л. Л. Шишов, В. Д. Тонконогов, И. И. Лебедева, М. И. Герасимова // Под ред. акад. РАН Г. В. Добровольского. — Смоленск: Окуймена, 2004. — 342 с.
• 4. Вальков В. Ф. Почвоведение (почвы Северного Кавказа) / В. Ф. Вальков, Ю. А. Штомпель, В. И. Тюльпанов.? Краснодар: Изд-во «Советская Кубань», 2002.? 300 с.
• 5. Гуторова О. А. Морфогенетические особенности рисовой лугово-черноземной почвы / О. А. Гуторова, А. Х. Шеуджен // Российская сельскохозяйственная наука, 2016.? № 4.? С. 53−56.
• 6. Гуторова О. А. Морфогенез рисовых лугово-болотных почв Кубани / О. А. Гуторова, А. Х. Шеуджен // Российская сельскохозяйственная наука, 2016.? № 6.? С. 25−28.
• 7. Гуторова О. А. Процессы трансформации соединений железа в почвах рисовых агроценозов Кубани / О. А. Гуторов, А. Х. Шеуджен, Т. А. Зубкова // Известия Оренбургского государственного аграрного университета, 2017. — № 3 (65). — С. 201−205.
• 8. Brьmmer G. Redoxpotentiale und redoxprozesse von Mangan, Eisen und Sehwefelverbindungen / G. Brьmmer // Geoderma, 1974. — Bd. 12. — № 3. — S. 207−222.
• 9. Шеуджен А. Х. Агрохимия и физиология питания риса / А. Х. Шеуджен. — Майкоп: ГУРИПП «Адыгея», 2005. — 1012с.
• 10. Зубкова Т. А. Матричная организация почв / Т. А. Зубкова, Л. О. Карпачевский. — М. «Русаки», 2001. — 296 с.
• 11. Зубкова Т. А. Роль минеральной матрицы горной породы в возникновении жизни, эволюции почвы и биосферы / Т. А. Зубкова, Л. О. Карпачевский // Материалы докладов VI Съезда почвоведов им. В. В. Докучаева «Почвы России: современное состояние, перспективы изучения и использования». Том 1, 2012 — С. 40−41.
• 12. Шеуджен А. Х. Окислительно-восстановительные процессы и состояние соединений железа в почвах рисового агроценоза и богары / А. Х. Шеуджен, О. А. Гуторова, Т. А. Зубкова // Международный научно-исследовательский журнал, 2016. — № 11 (53). doi: 10.18 454/IRJ.2016.53.074
• 13. Шеуджен А. Х. Морфологические особенности и изменение магнитной восприимчивости почв рисового агроценоза и богары / А. Х. Шеуджен, О. А. Гуторова, Т. А. Зубкова, Р. В. Штуц, В. П. Кащиц, Е. П. Максименко, А. С. Филипенко, Н. С. Минаев // Международный научно-исследовательский журнал, 2016. — № 9 (51).? Ч. 3.? С. 133−137. doi: 10.18 454/IRJ.2016.51.010
• 14. Шеуджен А. Х. Влияние мелиоративного состояния на свойства почв рисовых агроландшафтов Кубани и их продуктивность / А. Х. Шеуджен, О. А. Гуторова, В. В. Аношенков, Е. П. Максименко, В. П. Кащиц // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета (Научный журнал КубГАУ) [Электронный ресурс]. — Краснодар: КубГАУ, 2017. — № 08(132). — Режим доступа: http://ej.kubagro.ru/2017/08/pdf/17.pdf
• 15. Лабораторно-практические занятия по почвоведению: учебное пособие / М. В. Новицкий, И. Н. Донских, Д. В. Чернов, А. В. Назарова, С. П. Мельников, Н. Н. Баева, А. В. Лаврищев. — СПб: Проспект Науки, 2009. — 320 с.