Казюта О.М. Особливості розвитку та використання заплавних лісових грунтів р.Сіверський Донець у лісостепових умовах

summary

Вступ. Розглядаються актуальність теми, зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами; мета і задачі досліджень; об’єкт і предмет досліджень; наукова новизна результатів; практичне значення одержаних результатів; особистий внесок здобувача, апробація результатів досліджень.

Аналітичний огляд літератури. Узагальнюються дані про розвиток ґрунтотворного процесу у заплавах річок. Цей процес вивчали як ґрунтознавці, так і геологи, географи, геоморфологи, геоботаніки, гідрологи, екологи, агрохіміки та представники інших наук. Найбільший внесок у розробку наукових основ теорії заплавного ґрунтотворення зробили В.В. Докучаєв (1949, 1954), М.М. Сибірцев (1951, 1953), Б.П. Полинов (1956), В.Р. Вільямс (1949, 1955), В.І. Шраг (1953, 1959), Р.А. Єленевський (1936), Д.Г. Віленський (1955), В.А. Ковда (1946, 1951), Г.В. Добровольський (1956, 1957, 1968, 1980), І.І. Плюснін (1938, 1960, 1971), С.С. Соболєв (1936), Л.І. Карякін (1936, 1971), В.І. Крокос (1927), Є.В. Шанцер (1951), А.І. Зінченко (1969, 1970), В.Г. Бондарчук (1946, 1947), Б.П. Ахтирцев (1961, 1965, 1967, 1968, 1971, 1980, 1984, 1993), Л.А. Яблонських (1987, 1993, 2002), В.І. Михайлюк (1996, 1999, 2001), П.Н. Балабко (1990), М.І. Лактіонов, Д.Г. Тихоненко, М.О. Горін, В.І Сидоренко, В.К. Смоляга (1988) та інші дослідники.

Аналіз публікацій щодо розвитку заплав та їх ґрунтів свідчить про різноспрямованість підходів до вирішення проблеми їх генези, класифікації, зональних особливостей. Немає узгодженості в поглядах щодо розвитку заплавних лісових ґрунтів. Це спонукало нас до вивчення специфіки еволюції заплавних ґрунтів, з’ясування їх генези під лісом і лучною рослинністю з метою прогнозування подальшого розвитку та раціонального використання. Ми мали виявити: розвивається чи не розвивається підзолистий процес у заплавних ґрунтах під запоною широколистяних лісів; чи відбувається осолонцювання ґрунтів заплави Сіверського Дінця у його верхній та середній течії; яку роль відіграє галоморфізм в утворенні заплавних алювіальних ґрунтів під різними фітоценозами; участь оглеєння у генезі ґрунтів та їх комплексний вплив на розробку сільськогосподарської типології і раціональне використання земель.

Генетико-еволюційні закономірності утворення заплавних ґрунтів у лісостеповій зоні України. Наводиться схема еволюції долинних ландшафтів Лісостепу у квартері кайнозойської ери, складена на підставі узагальнення палеографічного матеріалу та співставлення різних точок зору щодо розвитку природи Лісостепу України (А.І. Набоких, 1915, В.І. Крокос, 1931; М.Ф. Веклич, 1982, 1990; М.Ф. Веклич, Ж.М. Матвіїшина, В.В. Медвєдєв, Н.О. Сіренко, П.Ф. Федоров, 1979; М.І. Лактіонов, Д.Г. Тихоненко, М.О. Горін, В.І. Сидоренко, В.К. Смоляга, 1988).

Основні принципові положення генетичного ґрунтознавства про розвиток ґрунтів у часі та просторі, про парагенетичні зв’язки у природі дозволили обґрунтувати закономірності розвитку заплавних ґрунтів під різним рослинним покривом у Лісостепу України. При цьому розвиток ґрунтів розглядається нами не тільки з генетичних, а й з біогеохімічних позицій. Такий підхід, започаткований В.І. Вернад-ським (1978), як показали дослідження останніх десятиріч, є найбільш ефективним.

У розділі наведено також опис геоморфології, гідрографії, геологічної будови району досліджень, детально проаналізовано клімат і рослинний покрив.

Характеристика об’єкта і методів досліджень. Наведені теоретичні основи, описані об’єкти і методи досліджень.

Стаціонарні дослідження проводилися у заплаві Сіверського Дінця в межах Скрипаївського навчлісгоспу Зміївського району Харківської області. Заплава, як і долина Сіверського Дінця, в цілому має будову та характеристику типові для річок середньої смуги України. Здійснювалося також маршрутне обстеження ґрунтів заплави Сіверського Дінця у Вовчанському (верхня течія) та Ізюмському (середня течія) районах Харківської області. Окремі питання вивчалися у заплавах приток Сіверського Дінця: Уд, Мжі, Роганки, Балаклейки.

Особливості рельєфу заплави визначають диференціацію ґрунтового покриву за ступенем гідроморфізму, а літологічні особливості річкових фацій алювію створюють різноманітність алювіальних ґрунтів за гранулометричним, мінералогічним, валовим хімічним складом.

У прирусловій, добре дренованій заплаві Сіверського Дінця з рівнем підґрунтових вод на глибині понад 3 м, розповсюджені шаруваті алювіальні ґрунти різного гранулометричного складу: супіщані (розрізи 6, 12), легкосуглинкові (розріз 7), середньосуглинкові (розріз 1). У центральній заплави, де підґрунтові води залягають на глибині 1,0-1,5 м, поширені лучні карбонатні (розрізи 2,4,8) та некарбонатні (розріз 11) ґрунти. Підвищені елементи рельєфу притерасової частини заплави вкривають лучно-болотні карбонатні ґрунти легкоглинистого (розрізи 3,5) та важкосуглинкового (розрізи 8,10) гранулометричного складу з глибиною залягання підґрунтових вод 0,7-1,0 м.

Фізичні, водно-фізичні, фізико-хімічні, хімічні характеристики ґрунтів та їх мікробіологічна активність вивчалися загальноприйнятими методами (Є.В. Аринушкіна, 1962; А.Ф. Вадюніна, З.А. Корчагіна, 1986; Д.С. Орлов, Л.А. Гришина, 1981; О.Г. Растворова, 1983; Д.Г. Звягінцев, 1991; М.І. Лактіонов, В.В. Дегтярьов, І.О. Шеларь, 1998; С.Ю. Булигін, С.А. Балюк, А.Д. Міхновська, Р.А. Розумна, 1999; М.І. Полупан, Б.С. Носко, В.П. Кузьмічов, 1981; М.І. Горбунов, 1963; Агрохімічні методи аналізу ґрунтів, 1965) та за Держстандартами.

Щільність складення ґрунту визначалась методом ріжучого циліндра за Н.А. Качинським; щільність твердої фази – пікнометричним методом; структурний та агрегатний склад – за Саввиновим; загальна пористість (шпаруватість) та пористість аерації – розрахунковим методом; гранулометричний склад – методом піпетки у модифікації Н.А. Качинського; виділення мулистої фракції для проведення валового хімічного аналізу та визначення його мінералогічного складу – центрифугуванням з осадженням за допомогою соляної кислоти; валовий хімічний складу ґрунту та мулу – рентген-дифрактометричним методом на приладі СРМ-25 з трубкою 3РХВ-2; польова та гігроскопічна вологість ґрунту - термо-ваговим методом; максимальна гігроскопічність – методом Ніколаєва; вологість в’янення та вологість розриву капілярного зв’язку – розрахунковим методом; капілярна вологоємкість – лабораторно у циліндрах після визначення щільності ґрунту з непорушеною будовою; повна вологоємкість – розрахунковим методом; обмінні катіони для безкарбонатних ґрунтів – за методом Шоленберга, для карбонатних – за методом Тюріна та з амонійною витяжкою за ГОСТ 26950-86; загальний гумус – за методом Тюріна; груповий і фракційний склад гумусу – за методом І.В. Тюріна в модифікаціях М.М. Кононової та Н.П. Бєльчикової й В.В. Пономарьової та Т.А. Плотнікової; рухомі (лабільні) органічні речовини ґрунту - за методом М.А. Єгорова, спалювання - за Б.А. Нікітіним. Сольовий склад водної витяжки при співвідношенні ґрунт : вода = 1 : 5, за ГОСТ 26424-85; ГОСТ 26425-85; ГОСТ 26426-85; ГОСТ 26427-85; ГОСТ 26428-85. Окисно-відновний потенціал (ОВП), окисні (Fe³⁺) і закисні (Fe²⁺) форми заліза, рухомий марганець (Mn) визначали у триразовому повторенні в три строки: навесні, влітку, восени; вміст Fe²⁺ і Fe³⁺ - у сірчанокислій витяжці з 2,2'-α, α'-дипіріділом, марганцю – колориметрично з перйоддатом калію, ОВП - потенціометрично.

Для мікробіологічного аналізу використовували свіжевідібрані зразки ґрунту, із застосуванням методу посіву на тверді живильні середовища: на м’ясо-пептонному агарі (МПА), крохмало-аміачному середовищі (КАА), пептонно-глюкозному агарі Ваксмана (ПГА), на голодному агарі (ГА), на середовищі Ешбі (ЕШ). Склад середовищ та методи спостереження й обліку колоній мікроорганізмів були використані за Д.Г. Звягінцевим (1991). Загальну кількість мікроорганізмів (МПА+КАА) визначали за Д.Г. Тихоненком, В.І. Канівцем (1970), напрямок мінералізації органічних речовин (МПА/КАА) – за О.Н. Образцовою, В.І. Канівцем (1970) та показник мікробної трансформації ґрунтової органічної речовини: Пм=(МПА+КАА)•(МПА/КАА) - за В.Д. Мухою (1980).

Рухомі форми фосфору і калію визначали за Чириковим у модифікації ЦІНАО (для карбонатних ґрунтів – методом Мачигіна); лужногідролізований азот – за Корнфілдом; нітратний – колориметрично з дисульфофеноловою кислотою, амонійний – колориметрично з реактивом Неслера.

Умови місцезростання лісу визначали за едафічною сіткою Алексєєва-Погребняка-Воробйова. Наземну масу трав, опаду, підстилки визначали на площадках розміром 50х50 см, підземну фітомасу – у шарі ґрунту 0-25 см на різних ділянках парцели: біля стовбура, під середньою частиною крони та під її кінцем. На кожній ділянці парцели із 6 зразків відбирали середній. Для вивчення складу золи фітомасу спалювали у муфельній печі (темно-червоний жар). Золу розчиняли у 10% HCl і фільтрували. У фільтраті зольні елементи визначали загальноприйнятими методами. Дані обробляли математично з використанням методів дисперсійного та кореляційного аналізів за Б.А. Доспєховим (1965) та Є.А. Дмитрієвим (1972).

Особливості генезису заплавних ґрунтів. Наведена характеристика фізичних, водно-фізичних, фізико-хімічних, хімічних та біологічних показників заплавних ґрунтів під лісовою та трав’яною рослинністю й окисно-відновний та сольовий режими.

Водно-фізичні та фізичні показники. Гідрологічні умови у заплаві Сіверського Дінця обумовлюються періодичністю затоплення, його тривалістю, глибиною залягання рівнів ґрунтових вод, гранулометричним складом ґрунтів, видом рослинності, погодними умовами. Наведені у дисертаційній роботі хроноізоплети вологості ґрунтів різних областей заплави (прируслової, центральної, притерасової) під лісом і лучними травами свідчать, що найменш забезпеченими вологою є ґрунти прируслової, добре дренованої заплави, оскільки у водному живленні їх профілю підґрунтові води, які залягають глибше 3 м, участі не беруть внаслідок легкості гранулометричного складу нижніх горизонтів. У лучних ґрунтах центральної заплави більша частина профілю знаходиться протягом вегетаційного періоду в межах капілярної облямівки, оскільки підґрунтові води залягають тут не глибше 1,0-1,5 м, а важкосуглинковий гранулометричний склад нижніх горизонтів профілю сприяє підняттю капілярно підпертої вологи. Лучно-болотні ґрунти притерасового зниження у період вегетації рослин знаходяться в перезволоженному стані у зв’язку з тим, що підґрунтові води тут залягають на глибині 0,7-1,0 м. Відмічається специфіка використання вологи заплавних ґрунтів лісовою та трав’яною рослинністю. Верхні горизонти профілю лісових ґрунтів забезпечені вологою краще, а нижні – гірше, ніж ґрунти під лучними травами.

Водно-фізичні константи (МГ, ВВ, КВ, ПВ) у ґрунтах під лісом мають дещо вищі показники, ніж під лучними травами, як наслідок впливу дещо важчого гранулометричного складу. Цю особливість, а також динаміку вологості ґрунтів різного гранулометричного складу на окремих областях заплави слід ураховувати в захисному лісорозведенні та при екологічному обґрунтуванні необхідності виконання гідромеліоративних робіт у заплавах річок.

Алювіальний режим впливає на гранулометричний склад заплавних ґрунтів. Алювіальність добре виражена в лучних шаруватих ґрунтах прируслової заплави. Під лучними травами алювіальний процес сприяв похованню уже майже сформованих ґрунтів. У ґрунті прируслової заплави під лісом шаруватість виражена слабше, ніж під травами. Вміст фізичної глини зменшується вниз за профілем від 55,11% у верхній частині (0-10 см) до 11,27% у другому перехідному горизонті (40-70 см). Ґрунти центральної заплави характеризуються легкоглинистим гранулометричним складом під лісом і важкосуглинковим – під травами. У профілі лучних ґрунтів цієї частини заплави вміст фізичної глини коливається в межах 60,45-68,18% під лісом і 54,80-64,76% під травами. Переважаючими фракціями в цих ґрунтах є мул (відповідно 28,92-33,38% і 26,35-39,88%) та дрібний пил (22,36-25,60% і 18,85-23,39%), що створює сприятливі умови для гумусонакопичення. Лучно-болотні ґрунти – легкоглинисті. Вміст фізичної глини у межах гумусового горизонту становить 68,86-63,49% у лісовому ґрунті та 61,85-64,09% у ґрунті під лучними травами. Більш рівномірний розподіл гранулометричних фракцій в профілі лучно-болотних ґрунтів свідчить про те, що ґрунтотворення у притерасовій заплаві відбувається при більш ослабленій інтенсивності алювіального процесу. Оглеєні горизонти дещо збагачені фізичною глиною.

Аналіз гранулометричного складу алювіальних ґрунтів свідчить про відсутність профільного перерозподілу колоїдів і специфіку співвідношення їх фракцій в окремих частинах заплави, що створює різні едафічні умови для розвитку рослин.

Щільність складення ґрунтів під лісом і лучними травами характеризується зближеними оптимальними для розвитку рослин показниками (0,82 - 1,06 г/см³ у верхній частині гумусового горизонту і 1,02-1,10 г/см³ у нижній). Дещо вища вона (1,30 г/см³) у супіщаному ґрунті лучної заплави. Униз за профілем щільність складення заплавних ґрунтів збільшується, досягаючи максимальних величин (1,39-1,45г/см³) у нижніх горизонтах лучного лісового ґрунту прируслової заплави. Найбільшу шпаруватість мають лучно-болотні ґрунти в Н-горизонті (60,8-66,4% під лісом і 57,2-67,7% під травами). Значна аерація верхньої частини профілю обумовлена високою гумусованістю, насиченням вбирного комплексу ґрунтів кальцієм. В той же час нижні оглеєні горизонти заплавних ґрунтів найчастіше зайняті капілярною шпаруватістю і тому некапілярна (шпаруватість аерації) тут або мінімальна, або відсутня. Отже, показники щільності та шпаруватості лучних і лучно-болотних ґрунтів є характерними для ґрунтів акумулятивного типу ґрунтотворення. Оглеєність нижніх ґрунтових горизонтів погіршує їх фізичні, а разом з тим, і трофічні показники.

Лучні та лучно-болотні ґрунти заплави р. Сіверський Донець є добре оструктуреними. Кількість агрономічно цінних агрегатів розміром 0,25-10,00 мм у гумусовому горизонті при сухому просіюванні становить 88-93% і лише в лучному шаруватому супіщаному ґрунті (розріз 6) зменшується до 78%. Водостійкість структурних агрегатів є високою (86,6-93,0% у шарі 0-10 см і  83,0-91,7% у шарі 10-30 см). Під трав’яним фітоценозом водостійкість агрегатів лучних і лучно-болотних ґрунтів зменшується (79,5-80,6%). Проте слід зазначити, що хоч ступінь оструктуреності гумусового горизонту ґрунтів під травами менший, ніж під лісом, але загальна глибина оструктуреної товщі ґрунтів під травами більша.

Отже, за даними наших досліджень, по-перше водно-фізичні та загально-фізичні показники ґрунтів заплави р. Сіверський Донець є сприятливими для росту і розвитку деревної та трав’яної рослинності, але чітко диференціюються по різних областях заплави (прирусловій, центральній, притерасовій); по-друге зближені кількісні й якісні фізичні показники відображають загальну природу утворення заплавних ґрунтів під лісом і травами.

Щодо мінералогічного складу високодисперсної частини ґрунтів, то в лучному алювіальному шаруватому середньосуглинковому лісовому ґрунті прируслової заплави, серед глинистих мінералів переважають монтморилоніт, гідрослюди, каолініт. Змішаношарових утворень мало. У гумусовому горизонті вони представлені гідрослюдисто-монтморилонітовим типом з переважанням гідрослюд, у перехідних горизонтах – вермикулітово-гідрослюдисто-хлоритовим типом. Високодисперсний кварц у складі глинистих мінералів міститься у незначній кількості (3%) і тільки в оглеєному супіщаному алювії на глибині понад 70 см. Глинисті мінерали лучного карбонатного легкоглинистого ґрунту центральної лісової заплави представлені переважно змішаношаровими утвореннями типу гідрослюда-монтморилоніт (73,5-79,7%). У лучно-болотному ґрунті притерасового зниження у мінералогічному складі глинистих мінералів також переважають змішаношарові утворення з переважанням монтморилоніту.

Дослідження показали, що: 1) заплавні лісові ґрунти близькі між собою за мінералогічним складом мулу, хоч “самостійність” ґрунтів прируслової та центральної заплави визначається вмістом монтморилоніту та змішаношарових мінералів; 2) відсутність мінералогічної диференціації профілю є явною ознакою акумулятивного типу ґрунтотворення, що підтверджується майже повною відсутністю високодисперсного кварцу; 3) незначний вміст каолініту в ґрунтах обумовлений таким же складом сучасного заплавного алювію.

Валовий хімічний склад. Вміст SiO₂ в алювіальних ґрунтах заплави Сіверського Дінця становить 50-64%, у породі (сучасний алювій) – 82,5%. У мулистих частинках SiO₂ менше, ніж у ґрунтах, - (46-50%). Кількість оксиду алюмінію знаходиться в межах 8-11%, заліза – 2,9-6,7%, а в мулистих частинках вміст Al₂O₃ зростає до 14-15% і Fe₂O₃ до 9,7-11,2%. Винос оксидів алюмінію та заліза з гумусового горизонту в перехідний не спостерігається. Вміст MnO у ґрунтах заплави становить 0,1-0,4%, а в мулистих частинках - 1,2-1,5%. Кількість оксидів СаО і MgO складає відповідно 1,5-3,1% та 0,9-1,1%, що свідчить про значну буферну здатність алювіальних ґрунтів. К₂О значно більше, ніж Na₂O і Р₂О₅, а взагалі гумусові горизонти добре забезпечені Са, К, Р, Mn, S. Кількість цих елементів у лісових ґрунтах більша, ніж у ґрунтах під лучними травами, оскільки частина їх виноситься з урожаєм трав. Співвідношення SiO₂:R₂O₃ широке (5,69-8,05), що, за М.І. Лактіоновим (1957), позитивно впливає на утворення органо-мінеральних мікроагрегатів.

Отже, валовий хімічний склад алювіальних заплавних ґрунтів свідчить про передумови для формування високої їх родючості. Істотної профільної диференціації валового складу лісових ґрунтів порівняно з такими ж ґрунтами під лучними травами не спостерігається. Відхилення в межах похибки досліду, можливо, пов’язані з неоднорідністю відкладів, які приносяться повеневими водами.

Фізико-хімічні та хімічні показники алювіальних заплавних ґрунтів. У складі поглинутих катіонів алювіальних ґрунтів заплави Сіверського Дінця домінує кальцій, вміст якого в гумусових горизонтах досягає 83-89% від їх суми. Обмінні Na⁺ та К⁺ мають незначну частку – відповідно 0,5-1,6 та 0,5-2,5% від загальної суми. У складі поглинутих катіонів кальцій різко переважає над магнієм (відношення Ca:Mg у гумусових горизонтах дорівнює 6-9, а у першому перехідному горизонті зменшується до 4-7. Оглеєні горизонти мають більшу кількість магнію. Переважання кальцію у складі обмінно-поглинутих катіонів і приуроченість до верхніх горизонтів пояснюється його біогенною та гідрогенною акумуляцією. Збагачення опаду дуба на кальцій і зволоження заплавних лісових ґрунтів водами гідрокарбонатного типу із значним вмістом кальцію перешкоджають підкисленню ґрунтів під широколистяними лісами та входженню іонів водню у ґрунтовий поглинальний комплекс. Склад обмінних катіонів і, близька до нейтральної, реакція ґрунтового розчину відображають акумулятивну природу ґрунтів під лісом і лучними травами. Незначна кількість обмінного натрію вказує на відсутність солонцетворення.

Акумулятивний характер утворення алювіальних ґрунтів заплави р. Сіверський Донець впливає на кількісний, груповий і фракційний склад гумусу. Ці ґрунти характеризуються високою гумусованістю на значну глибину. Максимальна кількість гумусу зосереджена в гумусовому горизонті лучних і лучно-болотних ґрунтів центральної та притерасової заплав (6,2-7,1%), збільшуючись до 8,67-9,07% у його верхньому (2-10 см) шарі. Менш гумусованими є лучні ґрунти прируслової заплави – (відповідно 5,66% і 6,13%), що, пов’язано з умовами зволоження; вмістом мулистої та пилуватої фракцій, які за Ю.Є. Кізяковим (1966, 1967), закріплюють сукупно 75-80% загальних запасів гумусових речовин. Дослідження показали, що вміст гумусу в гумусовому горизонті заплавних ґрунтів вищий під лісом, а грубизна горизонту більша під лучними травами. Кількість водорозчинного гумусу в гумусовому горизонті заплавних ґрунтів становить 0,06-0,08%, поступово зменшуючись вниз за профілем.