Моделирование гумусообразования в почвах Ботанического сада КГУ - Студенческий научный форум

XIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2021

Моделирование гумусообразования в почвах Ботанического сада КГУ

Никитин И.В. 1
1Курганский Государственный Университет
 Комментарии
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Актуальность работы. Человечество - как мощная геологическая сила земли оказывает огромное влияние на природы Земли вследствие научно-технического прогресса, интенсивного роста энергетической мощности. Появляется множество проблем, требующих научного анализа.

Если раньше влияние человеческой деятельности носило больше региональный характер, то сейчас очевидно, что взаимодействие человека и природы - это проблема глобального масштаба. Традиционные научные направления ничего не могут предложить для решения проблемы. Так как проблема является довольно многоплановой, для ее решения было предложено также создать целый комплекс мер.

Первые попытки создания глобальных моделей были осуществлены Дж. Форрестером и группой Д. Медоуза на основе разработанною Дж. Форрестером метода системной динамики, позволяющего исследовать поведение сложной структуры взаимосвязанных переменных.

Противоречие. Должна быть создана такая модель, такой комплекс мер, чтобы гумус в почве действовал максимально эффективно, за счет анализа, обоснования, прогнозирования и планирования его воздействия на плодородие почвы, а также оценки его влияния на окружающую среду.

Однако, изученная литература свидетельствует о том, что до сих пор не разработана единая модель гумусонакопления в системе «органические-отходы почва-растение»

Проблема. Существующие модели прогнозирования запасов гумуса в почве не в достаточной степени отражают процессы формирования и гумусонакопления в системе «органические-отходы почва-растение»

Основная идея состоит в понимании того, что гумусообразование влияет как на отдельные элементы так и в целом на всю систему землепользования

Объект исследования гумусообразование

Предмет исследования влияние факторов различной природы на гумусообразования на гумусонакопление в системе «органические-отходы почва-растение» и связанные с ним компоненты системы землепользования

Цель работы состоит в теоретическом обосновании принципов и этапов моделирования природных процессов гумусообразования на примере гумусонакопления в системе «органические-отходы почва-растение»

Гипотеза. ЕСЛИ:

- провести теоретическое обоснование природных процессов гумусообразования на примере гумусонакопления в системе «органические-отходы почва-растение»

- разработать модель влияния факторов различной природы на гумусонакопление в системе «органические-отходы почва-растение»,

ТО можно выявить факторы гумусообразования и создания мощных гумусово-аккумулятивных горизонтов черноземных почв, составляющих основу их плодородия в почвенном профиле.

Задачи:

Провести анализ литературных источников и выявить степень разработанности проблемы исследования

Провести теоретическое обоснование и разработать модель гумусообразования в почвах ботанического сада КГУ

Подобрать методику исследования моделей гумусообразования

Провести опытно-экспериментальную работу по изучению моделей гумусообразования в системе землепользования Ботанического сада КГУ

Разработать методические рекомендации по особенностям гумусообразования в почвах ботанического сада КГУ

В качестве основных методов исследования использованы теоретические и практические методы:

1.анализ теоретических источников по почвоведению и моделированию систем;

2.обработка полученных результатов исследования;

3.практические методы исследования почвы и систем;

Степень разработанности темы (понятийный аппарат)

Первую концептуальную модель формирования почвы под влиянием факторов почвообразования(непосредственно гумуса) была представлена Пономаревой.В.В в 1964 г. Начиная с 70-х годов XX в. появились работы, обсуждавшие проблемы моделирования почвенной системы. Помимо моделей динамики органического вещества почв представлено значительное количество моделей динамики азота преимущественно в окультуренных почвах. Авторы большинства моделей избегают биохимической идентификации фракции ОВ почв как гумусовых веществ и гумуса, в качестве основного продукта почвообразования. Это, возможно, связано с тем, что в учении о гумусе еще слабо разработаны количественные аспекты процессов гумификации растительных остатков и трансформации ОВ почв.

Значение работы(теоретическое и практическое)

Теоретическая значимость исследования состоит в том, что :

-проведено теоретическое обоснование и получено более обширное представление о зависимости/влиянии почвообразования от/на других элементов системы почвообразования

Практическая значимость исследования определяется тем, что ее положения и выводы могут использоваться:

- в качестве рекомендаций для оптимизации хозяйственной(производственной) деятельности организаций в регионе;

- при разработке и преподавании учебных курсов и спецкурсов «Системная экология», «Природопользование» для студентов специальности «Экология и природопользование».

Апробация работы. Результаты моего исследования были доложены в виде сообщения и защиты перед учебной группой.

Структура работы. Курсовая работа состоит из 3 глав, 12 рисунков, 2 таблицы.

Глава 1. Теоретическое обоснование моделирования и развития моделей гумусообразования

История создания моделей

Математическое моделирование динамики почвенного ОВ началось с момента появления современной генетической науки о почве. Как уже упоминалось, первое уравнение, которое является полиномиальной функцией и описывает процесс минерализации растительных остатков, 12 было дано П. А. Костычевым (1889). Позднее он был использован А. А. Роде (1937) для расчета скорости разложения лесных опадов[25]. В следующий период И. В. Тюрин (1937) предложил следующее уравнение:

S = (l-a )A /x,

где S - предельная величина накопления гумуса в почве; а - коэффициент разложения свежего материала; А - количество поступающего опада; х - коэффициент, отражающий скорость разложения гумуса[26].

За рубежом самая известная экспоненциальная модель Йенни:

Однако кинетика образования гумуса - синтеза специфических макромолекулярных соединений - осталась вне интереса исследователей. Было только известно, что образование гумуса было интенсивным с первых дней обращения с гумусом. Внес ясный вклад в решение этой проблемы Александрова Л.Н. (1980)[26]. Позже интерес к этой проблеме исчез, и основное внимание было уделено изучению процессов образования гумуса с учетом структурных и почвенных генетических позиций.

Вторая половина 20 века. характеризуется интенсивным развитием динамического моделирования почвы органического вещества. Особенностью этого времени было развитие моделирования в контексте не генетической науки о почве, а скорее прикладной экологии при конструировании моделей для сельскохозяйственных экосистем и, реже, для лесных экосистем. Большинство современных моделей почв агроэкосистем представляют собой многокомпонентные структуры с блоками биомассы микроорганизмов. Модели подлеска теоретически более разнообразны. Они используются как независимо, так и как часть моделей лесных экосистем для прогнозирования динамики почв и экосистем в целом для различных видов сельского хозяйства, загрязнения и прогнозной оценки воздействия изменения климата на почвы и растительность.

В 1970-х гг. Появился ряд моделей, которые оказали значительное влияние на развитие моделирования органического вещества. Среди них модель гумусовой динамики степных почв Т. Г. Гильманова, для которой использовались многочисленные данные о Международной биологической программе. В эти же годы был проведен теоретический анализ проблемы моделирования почвы органического вещества. В. Галицким и А. С. Комаровым. Прусинкевич был первым, кто смоделировал динамику ОВ лесных почв, используя классическую концепцию типов гумуса[27].

Из статей 1970-х годов нужно подчеркнуть подробную модель Ханта, составленную в рамках американской модели степных сообществ. Автор подытожил гигантский эмпирический опыт и построил модель с десятью видами почвенных и подземных опадов, девятью элементами почвенного ОВ и восьмью группами микроорганизмов, которые показали удовлетворительное согласие с экспериментальными данными. В обобщенном виде эта модель использовала биохимическую концепцию трансформации органического вещества почвы. В то же время были опубликованы интересные модели динамики органического вещества в почвах агроэкосистем. Они были созданы в рамках биохимической концепции и по третьему типу структуры. В последние два десятилетия 20 века интенсивный процесс разработки новых моделей динамики органического вещества продолжился. Особенно хотелось бы упомянуть модель LINKAGE, которая является блоком модели леса с тем же именем. Сначала авторы упростили определение качества распространения путем параметризации всех распространяющихся опадов в лесах США только для 17 видов с использованием небольшого количества физико-химических и биохимических свойств. Во-вторых, динамика минерализации ОВ в почвах описывается в ней одним лишь уравнением, в котором скорость процесса рассчитывается в зависимости от общего суммарного испарения в экосистеме и отношения лигнина к азоту в опаде. Таким образом, эта модель состоит только из трех компонентов: сборный блок опадов и блок мертвой древесины и блок перегноя[26].

Следующая модель, которую мы рассмотрим будет концептуальная модель сконструирована в восьмидесятых годах Н. Ф. Ганжарой. Концептуальная модель основана на идее И. В. Тюрина, М. М. Кононова, Ф. Дюшофура о географических показателях, коньюктуре и закономерностях образования гумуса. Следуя данной идее различают два уровня преобразования органических остатков в гумусовые вещества:

1) создание гумусовых веществ при расщеплении источников гумуса - стадия детритификации

2) взаимосвязь гумусовых веществ с минеральной частью почвы и производство устойчивых органоминеральных соединений.

Соответственно следует различать условия образования гумусовых веществ и условия закрепления образующегося гумуса. Последние оказывают решающее влияние на его накопление и состав. Предложенная модель включает схему функциональных связей гумусообразования (1) и группировку условий образования и закрепления гуминовых кислот и гумуса в целом.

В свою очередь, необходимо отличать условия образования гуминовых веществ и условия фиксации образовавшегося гумуса. Кстати, условия фиксации оказывают ключевое воздействие на их аккумуляцию и состав. Предлагаемая модель содержит диаграмму функциональных взаимосвязей образования гумуса (1) и группировку условий образования и фиксации гуминовых кислот и гумуса в сумме[6].

Рис.1.1 Схема функциональных связей гумусообразования[6]

Говоря о иных «неодобрительных» моделях следует обратить внимание на уже традиционную модель ROTH-C, для которой использовались обширный эмпирические сведения из полутора веков постоянного мониторинга на испытательной станции Ротамстед в Англии. Это пример действительно классической агроэкологической модели динамики почвенного органического вещества с каскадом спаренных блоков биомассы из микроорганизмов и почвенного органического вещества, который характеризуется скоростью их минерализации и превращения в другие фракции. Как и предыдущая модель, модель ROTH-C также широко используется. Все вышеперечисленные пункты описывают современное состояние моделирования динамики органического вещества. Однако подавляющее большинство моделей основано только на микробиологической концепции трансформации органического вещества почвы (минерализация и гумификация). Роль почвенной фауны, чьи кишечные ферментные системы играют важную роль в процессах гумификации, практически игнорируется[26].

Авторы большинства моделей избегают биохимической идентификации содержания органического вещества в почвах как гуминовых веществ и гумуса как основного продукта почвообразования. Вероятно, это связано с тем, что количественные аспекты процессов гумификации растительных остатков и конверсии почвенного органического вещества все еще слабо развиты в теории гумуса.

Результаты моделирования ОВ обеспечивают основу для более глубокого изучения концепций «нестабильного (активного)» и «стабильного (пассивного) гумуса» и динамической систематизации органического вещества. Считается, что возможное плодородие формируется стабильным значением органического вещества, а эффективное плодородие - нестабильной. То есть динамическое моделирование органического вещества почвы помогает выяснить скорости трансформации и минерализации этих фракций и количественно оценить их роль в формировании и плодородии почвы. Как теоретически, так и практически практически, динамическое моделирование почвенного органического вещества является важным инструментом для изучения функционирования и прогнозирования изменений в почвенной системе[27].

Испытания существующих моделей дали понять, что они в основном отвечают научному пониманию функционирования системы почвы и подходят для ее симуляции. Локальные, региональные, глобальные и аналогичные проблемы решаются в моделях для оценки динамики почвенного органического вещества в разных масштабах. Однако на региональном и глобальном уровне компьютерных исследований уровень детализации внешних величин снижается, точность прогнозных оценок снижается, и способность проверять результаты также уменьшается. Вопреки значительному развитию моделей динамики почв, существуют некоторые проблемы, которые еще предстоит рассмотреть при улучшении существующих моделей и создании новых.

1.2.Проблема объяснения моделей

Эта фундаментальная проблема уже частично обсуждалась в опубликованных материалах, в которых критиковались довольно упрощенные представления о почвенном органическом веществе, используемом при моделировании. Органическое вещество - сложная динамическая система, образованная из множества подсистем, которые взаимодействуют и трансформируются с разными скоростями. В подавляющем большинстве моделей почвенный ОМ представлен пулами стабильного (стабильного, пассивного) медленно минерализованного органического вещества, нестабильного (дисперсного) минерализованного, довольно быстро минерализованного органического вещества, а в некоторых моделях активной микробной биомассы ОВ, а в последнее время эти пулы добавлен инертный органический углерод органического вещества.

Существует проблема с переходом от теоретического основания подсистем к их практическому отбору: до сих пор нет методов, с помощью которых можно было бы определить содержание этих подсистем в почве. Данные, полученные разными методами, могут частично перекрываться. Теория фиксации метаболитов биоты отрицает процесс гумификации, а основой для выделения подсистем являются результаты физического фракционирования органического вещества по удельному весу и окисляемости. В этом случае оценка особенностей трансформации органического вещества в органических почвенных горизонтах, в которых образуется гуминовый ОВ, устойчивый к минерализации, формирование которой не может быть объяснено этой теорией, концептуально отсутствует[27].

Классическая теория гумификации рассматривает ряд стадий образования гумуса с соответствующими сообществами разрушающих организмов, которые как минерализуют органическое вещество, так и превращают продукты биоты в гуминовые вещества.

Оба эти подхода недостаточны: в теории закрепления продуктов биоты не разработана оценка формирования устойчивого ОВ из других фракций; в теории гумификации недостаточно обоснованы количественные параметры гумификации, особенно под влиянием почвенной фауны. Изучение процессов гумификации с закреплением ОВ в почве находится в основном на стадии определения структурных закономерностей и механизмов формирования гумусовых веществ, без акцента на количественные характеристики этих процессов, что необходимо для создания моделей.

И того и другого метода мало: в концепции фиксации продуктов биоты не было создано никакой оценки образования стабильного органического вещества из других фракций; В концепции гумусообразования количественные параметры гумификации недостаточно документированы, особенно под влиянием почвенной фауны. Исследование процессов гумусообразования с фиксацией органического вещества в почве в основном находится на этапе определения структурных закономерностей и механизмов образования гуминовых веществ без учета количественных свойств этих процессов, необходимых для создания моделей[27].

Эти перспективные вопросы и проблемы представлены на рисунке 2.

Рис.2 Процессы, параметры и объекты в моделировании динамики ОВ, которые еще нуждаются в изучении или включения в модель, используя упрощенную схему Romul_Hum в качестве примера для когорты наземного опада[27].

Символы в геометрических формах являются частью модели. Надписи - задачи, которые рассматриваются. O1 ... O3 и A1 - резервуары ОВ в горизонтах лесной подстилки; Копр - органическое вещество из свежих копролитов; Мин - минерализация; Гум — гумификация; Ст — стабилизация органического вещества копролитов; штрихпунктирные стрелки — адресные указатели задач; Надписи без стрелок относятся ко всей модели

1.3 Модель гумусообразования

Модель черного ящика:

где ПР - почвенный раствор, ППК - почвенной поглощающий комплекс, ТФ - твердая фаза, ФК - фульвокислоты, Лимитирующие факторы на входе: показатели состава, свойств и режимов почв, снижающие урожай культурных растений и биопродуктивность естественных фитоценозов.Особая роль в почвообразовании принадлежит живым организмам, прежде всего зеленым растениям и микроорганизмам. Благодаря их воздействию осуществляется важнейшие процессы превращения горной породы в почву и формирование ее плодородия: концентрация элементов зольного и азотного питания растений, синтез и разрушение органического вещества, взаимодействие продуктов жизнедеятельности растений и микроорганизмов с минеральными соединениями породы и т.п.(Рисунок 3)

Рис.3 Модель черного ящика для гумусообразования

Почва представляет собой четырехфазную систему. Содержит твердую, жидкую, газообразную и живую фазы. Каждая фаза имеет определенный химический состав.

Химический состав почвы(Х.С.П) является важным фактором для плодородия почвы, так как многие питательные вещества для растений не включены в минеральное удобрение. В настоящее время 20 химических элементов (азот, фосфор, калий, углерод, сера, кальций, магний, натрий, железо, кислород, водород, хлор, медь, цинк, бор, молибден, йод, марганец, кобальт, ванадий). Еще 12 элементов считаются условно необходимыми (кремний, алюминий, серебро, литий, никель, фтор, свинец, титан, стронций, кадмий, хром, селен). Каждый элемент выполняет определенные физиологические функции в растении. С недостатком или избытком любого элемент растения растут и развиваются хуже[13].

Диапазон рН от 5,5 до 7 соответствует наиболее благоприятной структуре почвы, высокому качеству гумуса и оптимальному водному режиму.[16]

Фоновые факторы на периферии: Почвенный раствор(ПР) образуется в результате взаимодействия воды, поступающей в почву, с ее твердой фазой и растворения некоторых органических и минеральных веществ и их производных. Наиболее существенным источником почвенных растворов являются атмосферные осадки. В твердую фазу(ТФ) почвы наряду с минеральными веществами входит гумус, или перегной. Так называют почвенные органические соединения, образуемые при разложении органических остатков. В гумусе сосредоточены большие запасы элементов питания, но в недоступной для растений форме. Перевод их в доступную форму происходит медленно под действием микроорганизмов.Почвенный поглощающий комплекс(ППК) - коллоидный комплекс, совокупность нерастворимых в воде мелкодисперсных минеральных, органических и органо-минеральных соединений, образовавшихся в процессе формирования почвы и частично унаследованных от материнской породы[28].
Вывод: В первой главе данной курсовой работы было дано теоретическое обоснование моделирования гумусообразования. Мы познакомились с разными моделями, их историей, достоинствами и недостатками. В итоге, была представлена модель черного ящика, в которой подробно показан процесс гумусообразования и факторы влияющие на него.

Глава 2. Объект и методика исследования почв ботанического сада КГУ

2.1 Характеристика объекта исследования

Сад унаследовал участок ликвидированной агробиологической станции, которая была в руинах до последних дней. Ботанический сад - это не просто участок земли с лесом, а организация, в которой выращиваются, исследуются и демонстрируются коллекции живых растений различных частей для научных исследований, образования и обучения. Легкий и разный климат. Ботанические сады есть почти в каждой стране мира. Они помогают человеку осознать разнообразие и красоту земной флоры.

Одной из целей ботанического сада является сохранение биоразнообразия путем интродукции (перемещения диких растений в искусственных условиях) и создания банка семян редких видов. Ботаники не только создают коллекции, но и разрабатывают самые важные моменты ландшафтного дизайна и благоустройства. Каждый регион мира имеет свои, а иногда и уникальные климатические условия. В этих условиях иногда приходится методом проб и ошибок выбирать наиболее адаптируемые группы видов с максимальными эстетическими свойствами.

Ботанический сад Курганского государственного университета выполняет два основных направления работы и выполняет функции научного и образовательного подразделения. Сегодня ботанический сад осуществляет образовательную, познавательную, экологическую, производственную (садовую) и научную деятельность. Одной из важнейших задач при организации ботанического сада является интродукция редких видов растений, занесенных в Красную книгу Курганской области (2012 год) и Красную книгу Российской Федерации (2008 год). Выдвинута концепция развития ботанического сада со значительным расширением ассортимента культивируемых видов травянистых растений, деревьев и кустарников.

Предлагается, чтобы березовый лес и его граница, примыкающая к существующему дендропарку, были утверждены в качестве особо защитных (зона отдыха). Расширение и создание новой секции дендрария осуществляется при активном сотрудничестве с Ботаническим садом России, особенно при участии Сибирского ботанического сада Томского государственного университета (Томск), Ботанического сада Уральского отделения Российской академии наук (Екатеринбург) и Центральный сибирский ботанический сад СО РАН (г. Новосибирск).

Образование - одна из важнейших функций ботанического сада университета. Он традиционно основан на занятиях со студентами и экскурсиях для школьников. По этой причине Ботанический сад КГУ должен стать центром экологического и молодежного образования в регионе.

Результатом ботанического исследования Курганской области должно стать создание последовательной и научно обоснованной системы защиты редких видов растений и растительных сообществ. Важнейшей практической мерой по сохранению природного биоразнообразия сегодня является развитие региональной сети особо охраняемых природных территорий в Курганской области, узлами которой являются природные памятники. В то же время основным недостатком природоохранной деятельности в регионе является практически полное отсутствие работы по интродукции и реинтродукции редких видов растений, что значительно снижает эффективность многих достижений в поддержании биоразнообразия. Основной причиной такой ситуации является отсутствие квалифицированных центров для проведения таких мероприятий. Во многом причиной является отсутствие эффективных городских ландшафтных программ в городе Кургане. Ботанический сад КГУ с квалифицированным персоналом решит эти проблемы.

Традиционная практика всех (как российских, так и зарубежных) ботанических садов - совместная работа. Для Курганского государственного университета ботанический сад является не только ключевым механизмом для решения образовательных и научных задач по биологическим специальностям, но и для осуществления межуниверситетских и международных контактов.

Сад расположен в городе Кургане на правом берегу реки. Тобол. Общая площадь сада составляет 268,13 тыс. Кв. м. Природная зона - лесостепь. Климат континентальный с холодной зимой и жарким летом. В ботаническом саду есть два типа почвы: серый лес на севере по периметру; Остальная часть сада состоит из черноземов.

В ботаническом саду имеется семь участков: дендрарий, коллекция редких и исчезающих видов растений, питомник деревьев, участок с водой и прибрежной растительностью, пробный участок, участок культивируемых растений, участок интродукции и реинтродукции.

Общая коллекция древесных и травяных растений в Ботсада постоянно растет. Сегодня оно превышает 1 000 таксонов, из которых около 400 выращиваются и более 600 являются частью естественной флоры ботанического сада. Ботанический сад унаследовал от агробиологической станции уникальный природный комплекс «Старый дендрарий», который составляет основу живой коллекции открытых пространств. Он содержит уникальные природные объекты: Дубовая роща и Уссурийская грушевая аллея, чьи насаждения датируются 1968 годом. На Южном Зауралье дуб не растет в диких условиях и очень мало насаждений, потому что деревья очень часто повреждаются весенними и зимними морозами. В ботаническом саду Дубовая роща расположена в северо-восточной части и граничит с полосой березового леса, которая тянется вдоль шоссе. Первоначально было посажено около 80 деревьев, но сегодня осталось только 50, высота которых около 20 метров. Дубы приносят много плодонисят каждый год. Вероятно, самые старые деревья в Курганской области туи (многоствольные, высотой около 10 м) чувствуют себя хорошо под дубовой крышей. Также встречаются крупноплодный боярышник, дикая вишня Вирджиния, амурская маакия, амурский бархат, танинный янтарь и т. Д.

Весной 300-метровый переулок уссурийской груши расцветает крупными белыми цветами с характерным ароматом, который можно найти только в диком виде в лесах Дальнего Востока, Кореи и северо-восточного Китая. Посадка около 100 особей, из-за больших крон она выглядит как «глухая стена». Острые колючки, засоряющие ветви, значительно затрудняют доступ к стволам. Почти каждый год деревья приносят плоды, семена прорастают сильно.

Большой интерес представляет березовая роща естественного происхождения, которая находится в границах ботанического сада - места произрастания многих редких видов, в том числе занесенных в Красную книгу Курганской области: пальчатокоренников мясокрасного и Фукса, ятрышника шлемоносного, венерина башмачка настоящего, любки двулистной. Длинноногую примулу можно увидеть на влажном лугу рядом с рощей; Коржинская солодка растет на солонцах (Науменко и др., 2012)[11].

С 2011 года начата интродукция видов растений из Красной книги Курганской области.

Экологическая (образовательная и туристическая) тропа в районе ботанического сада действует с прошлого года.

Рис.2.1 Карта участков

2.2 Методика исследования почв ботанического сада КГУ на гумус.

Основные методики исследования: маршрутный метод, полевой метод, метод отбора проб.

Метод маршрута используется для проведения крупномасштабных полевых исследований, для определения существования различных форм жизни организма, для изучения и картирования почв, растительности и рельефа.

Полевые методы, то есть исследования популяций и сообществ в их естественной среде, имеют первостепенное значение для эколога.

Они позволяют выявить влияние различных комплексов факторов окружающей среды на популяцию.

Точных и универсальных методов определения общего количества гумуса в почвах пока нет. Существующие методы являются только приблизительными и могут быть разделены на прямые и косвенные.

Прямые методы определения общего количества гумуса в почвах включают в себя: а) метод потерь при прокаливании и б) метод окисления гумуса перекисью водорода.

Косвенные методы определения гумуса основаны на определении органического углерода, азота или окисляемости; Результаты этих определений используются для расчета содержания гумуса путем применения определенных коэффициентов[24].

Следующие принципы или ключевые моменты составляют основу для изучения состава почвенного гумуса и его роли в формировании и плодородии почв[13].

1. Использование сравнительно-географического метода, поскольку этот принцип имеет принципиальное значение для изучения почв и растительного покрова в целом. Этот принцип особенно важен, поскольку гуминовые вещества представляют собой не отдельные химические соединения, а летучие природные соединения, и каждый метод их исследования является сравнительным и общепринятым. Чем более географически изучен гумус почвы, тем точнее, полнее и глубже будут наши знания о природе, свойствах и географических законах образования гумуса[13].

2. Гумус должен быть исследован не только в верхних образцах почвы, как это было в течение длительного времени, но также в полных профилях почвы и, если возможно, в образцах, взятых с помощью сплошного столба, без или почти без зазоров. Только при этом условии можно получить полную и динамичную картину состава и свойств гумуса в почвенном профиле[13].

3. Полезно не только делать выводы о фракционном составе, но и о свойствах гуминовых веществ, функциональные свойства которых особенно важны, т. е. «Активных», «работающих» в почвах[13]:

а. Также. цвет, который отражает внутреннюю химическую структуру и свойства гумуса; Кроме того, окраска почв, которая дается им различными гуминовыми веществами и их комбинациями, играет важную роль в тепловом режиме почв и, следовательно, косвенно в пищевом режиме.

б. Степень растворимости гуминовых веществ в воде в свободном состоянии и в связи с наиболее распространенными минеральными элементами и оксидами элементов Ca, Fe, Al, микроэлементов и глинистых минералов;

в. На кислотность водных растворов гуминовых веществ;

г. Свойства органических минеральных соединений: их способность реагировать, мигрировать и осаждаться в зависимости от формы соединений и условий почвы;

д. Способность оказывать коррозионно-химическое воздействие на алюмоферрисиликатные минералы, специфичность этого эффекта в разных группах и фракциях гуминовых веществ и в разных гидротермальных условиях;

е. Распределение молекулярной массы и некоторые другие свойства.

4. Изучение и назначение свойств гумуса должно быть сложным поиском как в лаборатории, так и на месте[13].

5. Мы придаем большое значение визуальным наблюдениям за поведением веществ при их выделении и фракционировании на лабораторном столе: для окрашивания почвенных экстрактов, быстрой фильтрации и степени их прозрачности, цвета осадков и растворов ГК и ФК и т. д[13].

6. Наконец, одним из основных принципов исследования гумуса считается внимание к растительности, под которой сформировалась почва, и ее свойствам не только на поверхности, но и в недрах[13].

2.3.Методика определения гумуса

Исследование проводилось на территории Ботанического сада КГУ.

Сад был разделен на 10 полей и несколько участков, которые были отобраны в соответствии с их свойствами (топография, тип почвы, количество растительности и т. Д.). Должны были быть взяты образцы почвы для дальнейшего анализа. В середине каждого поля (участка) вырыли яму диаметром 20 см и вынимали почву. По меньшей мере, 1 кг полученного профиля почвы помещали в полиэтиленовый пакет и плотно закрывали. Представляя почву на анализ, мы предварительно указали характеристики участков, местоположение,рельеф, присвоили им номера.

Почва была высыпана на бумагу, и все корни и камни были удалены. Затем ее нужно высушить в течение 2-3 дней. Высохшая почва должна быть измельчена и смешана. Поэтому мы взяли примерно 300 г и просеяли через сито диаметром 1 мм. Мы сделали бумажные конверты, пронумеровали их и ссыпали туда свою почву. Навески были взяты из этих образцов для всех последующих анализов.

Дальнейшие лабораторные исследования по определению содержания гумуса в почве были проведены по методике И. В. Тюрина

Принцип метода. Метод основан на окислении углерода из гуминовых веществ до СО2 0,4 н. раствор дихромата калия (K2Cg207) в серной кислоте (H2S04), разбавленный в дистиллированной воде в объемном соотношении 1: 1 при нагревании на кипящей водяной бане , Количество хромовой смеси, проникшей в окисление органических веществ, определяет его(гумуса) содержание в почве.

Вывод: Количество гумуса в почве является характерным количеством для каждого типа почвы. Гумус играет важную роль в плодородии почв, физические и физико-химические свойства почв зависят от количества и качества гумуса, гумус является источником питательных веществ, стимулируется рост и развитие растений.

Задача анализа ОВ состоит в том, чтобы получить данные, чтобы идентифицировать формирование и свойства почв и найти способы увеличить их плодородие.

Глава 3 Результаты исследования

3.1 Динамика гумуса в почвах Ботанического сада КГУ

Из проведенных исследований получились следующие результаты(табл.3.1).

Таблица 3.1 - Результаты исследования почв Ботанического сада КГУ на содержание в них гумуса

Участок

Гумус,%

Поле №1

6,1

Поле №2

У голубого домика

4,5

Поле№3 участок 1

1,050016

Поле №3 образец №2, середина

5.8

Поле №3 участок 3

13,1

Поле №4,начало и середина

12

Поле №4(3)

1,2

Поле №5 участок 3

14,28

Поле №6 у водоема

12,45

Поле №6 участок 2

6,3

Поле №6, образец 3 - у дороги

6,08

Поле №7 участок 1

11,6

Поле №7 образец №2

1,28

Поле №7(2)

10.78

Поле №7 образец №3 у водоема

12,5

Поле №8

9,67

Поле №9

0,9

Поле №10

0,06

Рисунок 5 График динамики гумуса в почвах ботанического сада КГУ

Вывод.На 5 участках замечены крайне низкие показатели гумуса и 4 участка с крайне высоким содержанием гумуса.Можно предположить,почему так происходит. Главной причиной может являться незначительное содержание гуминовых кислот,что приводит к сокращению содержания гумуса в целом.Гуминовые кислоты образуются благодаря минерализации растительных и животных остатков. Если этих остатков мало,то и гумуса образуется меньше,и чем больше остатков,тем гумуса больше.Также, известно,что процесс гумификации регулирует качество этих остатков и их химический состав. Почвы бедные белком,с избыточным увлажнением, с кислой и щелочной средой,слишком высокой или наоборот слишком низкой биохимической активность,высокими значениями ОВ-потенциала,легким гранулометрическим составом содержат мало гумуса с преобладанием фульвокислот. В то время как почвы богатые белком,с чередованием оптимальных условий увлажнения, с нейтральной или близкой к нейтральной реакцией среды, средней биогенностью, нормальных значениях окислительно-восстановительного потенциала, тяжелого гранулометрического состава отличаются доминацией гуминовых кислот, высоким содержанием гумуса и наилучшей плодородностью.

3.2 Количественная оценка факторов модели гумусообразования

Изучив модель образования гумуса, мы можем с уверенностью сказать, что тип и скорость образования гумуса не всегда одинаковы и не везде одинаковы, и что они зависят от множества факторов.

Основными факторами будут лимитирующие. Они закладывают фундамент и начинают весь процесс превращения органических остатков в гумус. Это включает количество, состав и тип поглощения органических остатков, растительных остатков и видовой состав микроорганизмов. Почвы с высоким содержанием гумуса более биологически активны: там больше микроорганизмов, их видовой состав более разнообразен, углекислый газ образуется интенсивнее, а ферментативная активность повышается.

Направление и скорость их последующей конверсии зависит от состава органических остатков. Большая часть их массы состоит из воды (75 - 90%). Самый быстро меняющийся опад богат веществами, которые легко доступны для микроорганизмов (белки, аминокислоты, растворимые углеводы) и оснований (Ca, Mg). Растительные остатки, богатые лигнином, танинами и смолами (хвоя, кора, древесина), медленно разлагаются(см.Таб.3.2).

Таб.3.2 Содержание основных веществ в растительных организмах, % от массы сухого вещества:

 

Углеводы

 

Белки

Целюллоза

Прочие

Лигнин

Смолы,воски,жиры

Бактерии

40-70

Нет

Есть

-

1-40

Водоросли

10-15

5-10

50-60

-

1-3

Лишайники

3-5

5-10

66-80

8-10

1-3

Хвойные деревья:

         

а.Хвоя

5-7

15-20

15-20

20-30

15-20

б.Древесина

0,5-1

45-50

15-25

25-30

2-12

Лиственные деревья:

         

а.Листва

4-10

15-25

10-20

20-30

5-15

б.Древесина

0,5-1

40-50

20-30

20-25

5-15

Травы

5-20

25-40

15-35

15-20

2-10

При попадании в почву органические остатки претерпевают различные преобразования: механическое измельчение почвенными животными, физико-химические и биохимические изменения под воздействием микроорганизмов и других представителей почвенной фауны. В результате этой деятельности в почве органический материал минерализуется в конечные продукты (CO2, H2O и простые соли) и гумификации.

Ботанический сад КГУ расположен в лесостепной зоне. Годовое количество опада в луговых степях лесостепной зоны составляет до 10-15 т / га. Под серыми лесными почвами минерализация органических веществ составляет примерно от 0,2 до 0,35 т / га, а ежегодное пополнение - от 0,6 до 0,9 т / га[17].

Рассматривая почвенный профиль, не гумусированная органика будет находиться где-то в горизонте А0. В каких почвах А0 больше, в тех и больше гумуса.

Гумусовый (А) - образуется в верхней части профиля. Минеральный гумусово-аккумулятивный, самый темный в профиле, содержит до 30% органического вещества.

Рис.6 Почвенный профиль серых лесных почв[12]

где нас интересуют только :

А0 — лесная подстилка мощностью 2-5 см, состоит из побуревшего лесного опада;

А1 - гумусовый горизонт мощностью 10-55 см, серый или темно-серый, иногда коричневато-темно-серый, зернистый, темно-комковато-порошкообразный, содержит множество живых корней растений;

A1A2 - переходный гумусо-элювиальный горизонт мощностью до 15 см, серо-беловатый или серо-коричневый, плитчатый, комковатый или орехово-комковатый со слоистой структурой;

Рис.7 Строение почвенного профиля черноземов[10]

Где нас интересуют:

Горизонт А0 – степной войлок, состоящий из остатков травяной растительности. Мощность горизонта 1-3 см.

Горизонт А - это гумусовый горизонт интенсивного черного цвета. Структура зернистая в верхней части и зернистая комковатая в нижней части. Строение рыхлое. Содержание корнеплодов высокое. Нижний предел неясен, переход к горизонту В очень постепенный. Мощность 40 - 60 см.[10]

AB - переходный гумус иллювиального, коричневато-светло-коричневого цвета с черными гумусовыми пятнами, обычно в виде движений животных (ходы кротов, землероек и других почвенных животных)

Кстати, процесс накопления гумуса в черноземах включает не только горизонт А, но и вершину горизонта В. Поэтому существует горизонт AB, а при определении названия вида используется мощность слоя гумуса (A + AB)[15].

С другой стороны, не менее важны фоновые факторы, которые создают условия и напрямую влияют на процесс образования гумуса. Это, например, водно-воздушный и температурный режим почвы, размер частиц и минералогический состав, физико-химические свойства почвы.

Рис.8 Значение атмосферных осадков в почвообразовании[18]

С увеличением количества осадков процессы выщелачивания почвы возрастают, содержание гумуса и глинистых минералов увеличивается, а поглотительная способность почвы увеличивается(см.рис.8). Но при избыточной влажности кислотность почвы сильно возрастает, глинистые минералы из групп монтмориллонита и каолинита разрушаются, содержание гумуса уменьшается, впитывающая способность уменьшается и развивается амфолоидность почвы[18].

Чрезмерная влажность почвы помогает поддерживать органические вещества на разных стадиях разложения. Чередование сухого и влажного периодов является оптимальным. Этот режим характерен для черноземов, которые занимают более половины территории ботанического сада. Во влажные периоды разложение органических веществ происходит более интенсивно, а в сухие периоды продукты гумификации фиксируются в твердой фазе[16].

Низкотемпературный режим почвы замедляет процессы гумификации, а высокий - повышает минерализацию[16].

Наиболее интенсивное разложение органических остатков до конечных продуктов происходит при оптимальной влажности почвы (60–80% от полной влагоемкости) и температуре (20–25 ° C).

Рис.3.4 Кислотность почв[18]

Кислотность чернозема нейтральна, а уровень различных почвенных микроорганизмов и кальция в нем просто огромен.

Серые лесные почвы кислые, рН верхнего горизонта составляет 5,1-5,6, гидролитическая кислотность составляет 1,7-2,8 мэкв на 100 г почвы, количество поглощаемых оснований колеблется от 6,9 до 8. , 8% мэкв на 100 г почвы.

Кислотная реакция среды ингибирует разложение остатков из-за ингибирования бактериальной микрофлоры. Наличие многовалентных металлов в почве, таких как железо, алюминий и марганец, способствует образованию сложных органо-минеральных соединений, устойчивых к действию микроорганизмов. Одновалентные катионы - K +, Na +, NH4 + и щелочная реакция среды способствуют образованию подвижных водорастворимых органических соединений, что способствует их последующей минерализации[16].

Подстилающие породы будут основным фоновым фактором. В пределах Курганской области породы ниже представляют собой горизонтально расположенные слои палеогена, неогена и четвертичного периода. До-четвертичные породы в основном представлены глинами и тяжелыми типами глины разных цветов. Контракция гипса, сидерита, марказита, извести и других солей часто встречаются в породах. Соленость этих пород является причиной образования солончаковых и солонцеватых почв.[8]

Рис.3.5 Карта подстилающих пород Курганской области[8]

Четвертичные породы имеют более однородную окраску. На таких породах в Курганской области образуются черноземные почвы с относительно высоким содержанием гумуса и большой мощностью гумусового слоя. Они занимают более трети площади(см.Рис10).

Не забывайте о важности химического состава почвы(см.Рис.11). Почвы, насыщенные кальцием, реагируют нейтрально, что благоприятно сказывается на развитии бактерий и фиксации гуминовых кислот в виде нерастворимого в гуматах кальция, который обогащается гумусом. В кислой среде, когда почвы насыщены водородом и алюминием, образуются растворимые фульвокислоты, которые обладают повышенной подвижностью и приводят к значительному накоплению гумуса. Глинистые минералы, такие как монтмориллонит и вермикулит, также помогают фиксировать гумус в почве.[20]

Рис.3.6 Средний химический элементный состав земной коры, почв и организмов суши, % массы[20]

Гумус и органические остатки в основном состоят из углерода (25-65%), кислорода (30-50%), азота (1-5%), водорода (2-5%). Сера, фосфор и ряд металлов, включая микроэлементы, всегда присутствуют в молекулах органических соединений.[20]

Немного о роли этих элементов:

Углерод является основой определенных органических соединений в почве (гумус).

Кислород входит в состав первичных и вторичных минералов, гумуса почвы и воды, и содержится в почвенном воздухе.

Азот является частью гумуса, органоминералов, элементом питания растений.

Сера накапливается в почве в виде сульфатов кальция, магний входит в состав гумуса. Доля сернистых минеральных соединений увеличивается с уменьшением запасов гумуса, увеличением минерализации почвенно-подземных вод и накоплением карбонатов и гипса в почвах.

Кальций связывает гуминовые вещества и участвует в образовании структур, поскольку является эффективным коагулятором почвенных коллоидов.

Гранулированный состав определяет силу связывания гуминовых кислот с минеральной частью почвы. Чем он тяжелее, тем более благоприятные условия для закрепления гумуса[1].

Вывод.Мы обнаружили, что различные факторы, описанные в этой главе, влияют на интенсивность и направление биологических и биохимических процессов. Они также приводят к образованию почв с различным содержанием, запасами в почвенном профиле и составе гуминовых веществ. Однако, чтобы это было возможно, должны соблюдаться оптимальные или почти оптимальные условия.

Заключение

1.Были рассмотрены и проанализированы литературные источники, даны статьи на тему образования гумуса и его моделирования, краткий обзор развития моделирования динамики органического вещества и сравнительный анализ существующих моделей. Большая часть исследований охватывает исключительно вопросы, связанные с отдельными элементами модели, без учета их системности.Поэтому эта проблема оказалась актуальной.

2.Неотъемлемой частью работы являются характеристики исследуемого объекта и методология, включая основные принципы его изучения. Поэтому сразу после принятия актуальности темы, я принялся за ее разъяснение. Учтя все процессы была разработана модель “Черного ящика” для гумусообразования.

3. В результате выполнения курсовой работы было предложено несколько методов исследования и обоснования моделей гумусообразования,а также была подобрана оптимальная методика изучения гумусообразования почв Курганской области.

4.Подводя итог, можно сказать, что почвы Ботанического сада КГУ обладают хорошим плодородием, поскольку его (садовая) территория практически не подвержена хозяйственной деятельности человека. Количество микроорганизмов довольно велико, а видовой состав очень различен. Важнейшим источником гумуса почвы являются многолетние травы. После вегетации они оставляют в почве значительное количество корней.

Гумусный статус серых лесных почв складывается из нескольких показателей: мощность гумусового горизонта, содержание гумуса и его качественный состав. Эти показатели характерны и для чернозема. Однако они более критичны для серых лесных почв, поскольку у них недостаточно гумуса и его качества для стабилизации физико-химических свойств. Поэтому в некоторых местах наблюдаются физико-химическая деградация и потеря органических веществ.

5.Так как черноземные и серые лесные почвы Ботанического сада КГУ от природы достаточно плодородны достаточно просто поддерживать этот уровень. Для этого следует не допускать деградации почв, вести умеренную хозяйственную деятельность, и так как основной массой органических веществ являются многолетние травы и лесной опад - поддерживать состояние травостоя и деревьев на хорошем уровне.

Список литературы

1.Ахтырцев, Б. П. Зависимость состава гумуса от гранулометрического состава в почвах лесостепи / Б. П. Ахтырцев, Н. А. Яблонских // Почвоведение. - 1986. - № 7. - С. 114 - 121.

2. Бридько Ю.И. Методические указания по изучению морфологических признаков и строения профиля почв/ Ю.И. Бридько, В.Г.Сергеев. − Краснодар: КубГАУ, 1992. − 41с.

3.Безутлова, О. С. Гумусное состояние черноземно - степных и каштановых почв южной России : дис. ... д-ра биол., наук : 03.00.27 /

4. Вальков В.Ф. Почвоведение (почвы Северного Кавказа): учеб. для вузов / В.Ф.Вальков, Ю.А. Штомпель, В.И. Тюльпанов. − Краснодар: Сов. Кубань, 2002. − 728с.

5. Вальков В.Ф. Почвоведение: Учебник для вузов / В.Ф. Вальков, К.Ш. Казеев, С.И. Колесников. − М.: ИКЦ «МарТ», Ростов н/Д: Издательский центр «МарТ», 2004. − 496с.

6.Н.Ф.Ганжара, докТор биологичских наук, профессор Почвоведение.- М.: Аrроконсалт, 2001. - 392 с.: ил.­ (Учебники и учебные пособия для студентов высших учебных заведений)

7.Дергачева, М. И. Система гумусовых веществ почв

8. Ковриго В.П., Кауричев И.С., Бурлакова Л.М. Почвоведение с основами геологии.-М.: Колос, 2000

9.Кузнецов П.И., Егоров В.П. Научные основы экологизации земледелия в лесостепи Зауралья. – Курган, 2001

10.Костычев, П. А. Почвы черноземной области России / П. А. Костычев. - М. : Сельхозгиз., 1886. - Ч. 1. Образование чернозема.

11.Описание ботанического сада КГУ [Электронный ресурс],- Режим доступа: http://bskgsu.ru

12.Орлов, Д. С. Дополнительные показатели гумусного состояния почв и их генетических горизонтов / Д. С. Орлов, О. Н. Бирюкова, М. С. Розанова // Почвоведение. - 2004. - № 8. - С. 918 - 926.

13.Орлов. Д. С. Биохимические принципы и правила гумусообразования / Д. С. Орлов // Почвоведение, 1988. - № 7. - С. 83 —91.

14. Панасин В.И., Рымаренко Д.А. П 16 Гумус и плодородие почв Калининградской области: Монография. – Калининград: Изд-во КГУ, 2004. – 220 с. ISBN 5-88874-491-3

15.Пономарева, В. В. О генезисе гумусового профиля черноземов /

16. Розанов, Б. Г. Морфология почв / Б. Г. Розанов. – М., 1983. – 320 с.

17. Русанов, А. М. Экология гумусообразования почв степной зоны

18. Соколова Т.А., Трофимов С.Я. Сорбционные свойства почв. Адсорбция. Катионный обмен: учебное пособие по некоторым главам химии почв. – Тула: Гриф и К, 2009. – 172с.

19.Русанов, А. М. Влияние физических качеств почв на экологию гумусообразования : сб. тр. «Физика почв и проблемы экологии» /

20. Самофалова, И.А. Химический состав почв и почвообразующих пород [Текст]: учебное пособие. И.А. Самофалова, М-во с.-х. РФ, ФГОУ ВПО «Пермская ГСХА». – Пермь: Изд-во ФГОУ ВПО «Пермская ГСХА», 2009. – 132 с. – 250 экз. – ISBN

21.Семенов В.М., Когут Б.М. Почвенное органическое вещество. – М.: ГЕОС, 2015. 233 с.

22. Сухановский, Ю. П. Долгосрочное прогнозирование изменения запасов гумуса в почве / Ю. П. Сухановский, Н. П. Масютенко, С. И. Санжарова, А. В. Прущик // Земледелие. – 2010. – №4. – С. 22–25.

23.Терпелец В.И. учебно-методическое пособие / В.Н. Слюсарев – Краснодар: КубГАУ, 2016. – 31 стр.

24.Федорец Н. Г., Медведева М. В. Методика исследования почв. Петрозаводск: Карельский научный центр РАН, 2009. 84 с.

25.Характеристика, анализ и интерпретация свойств почв \Кривонос Л.А., Яковлев В.А., Плотников А.М.\, Курган, 2008

26.Чертов О.Г Динамическое моделирование процессов трансформации органического вещества почв : учебно-методическое пособие / А.С. Комаров, М.А. Надпорожская, А.В. Михайлов, С. С. Быховец, С. JI. Зудин, Е. В. Зубкова; Науч. ред. Б. Ф. Апарин. - СПб., 2007. - 96 с.

27.Чертов.О. Г. , М. А. Надпорожская. Модели динамики органического вещества почв: проблемы и перспективы

28. Шеуджен, А. Х. Органическое вещество почвы и его экологические функции: учебное пособие / А. Х. Шеуджен, Н. Н. Нещадим, Л. М. Онищенко. – Краснодар, КубГАУ, 2011. – 202 с.

Просмотров работы: 11