Агроекомікроморфологічні властивості техноземів за умов сільськогосподарської рекультивації земель (Нікопольський марганцеворудний басейн)

Abstract

Дисертація присвячена вивченню особливостей формування мікробудови техноземів, сформованих з плейстоцен-міоценових потенційно родючих розкривних гірських порід (лесоподібних суглинків, суміші червоно-бурих глин і суглинків та сіро-зелених мергелястих глинах) без покриття та з покриттям їх родючим шаром ґрунтової маси за умов сільськогосподарської рекультивації земель. Досліджені рекультивовані ґрунти науково-дослідного стаціонару ДДАЕУ з метою діагностування ступня трансформації техноземів за станом кутаних комплексів. Було досліджено основні фізичні та повітряні властивості техноземів, вміст органічної речовини та ферментативна активність на прикладі фосфатази та їх зміна за профілем. У дисертаційній роботі проведено огляд літератури та аналіз вітчизняних та закордонних учених з питання грунтогенезу рекультивованих ґрунтів. На основі аналізу літературних джерел висвітлено питання особливості формування мікробудови рекультивованих ґрунтів за умов сільськогосподарської рекультивації. Наукова новизна одержаних результатів полягає у тому, що вперше в умовах Південної підзони Степової зони України встановлено закономірності направлених процесів ґрунтогенезу на мікроморфологічному рівні на техноземах, сформованих під час тривалої сільськогосподарської рекультивації. Показано, що завдяки використанню методичних підходів екологічної мікроморфології деталізується вплив екологічних факторів на морфологічні рівні грунтогенезу рекультивованих ґрунтів. Відмічено, що в профілях з біологічним покривом утворюються біогенні мікроагрегати і поліпшуються загальні мікроморфологічні характеристики, які визначають особливості профілів досліджуваних техноземів. З’ясовано, що мікроагрегати біогенного походження поширені у верхніх шарах техноземів, а мікроагрегати нижніх шарів мають коагуляційне походження. Виявлено особливості мікроморфологічної будови техноземів пробної ділянки сільськогосподарської рекультивації та надано агроекологічне обґрунтування процесу ґрунтоутворення досліджуваних техноземів. Встановлені особливості сільськогосподарської рекультивації, які відображаються в інтенсивності змін техноземів під дією сільськогосподарських культур. Вони характеризуються появою нових характеристик для цих розкривних порід, а саме: появою в плазмі гумусової компоненти, утворенням порового простору біогенного походження, появою мікроагрегатів завдяки впливу на ці породи живих організмів та рослинні залишки на різних стадіях розкладання. Відповідно, чим більше ми діагностуємо у шліфах зміни властивостей порід під впливом сільськогосподарської обробки та культур, тим вище рівень середовище перетворення при сільськогосподарській рекультивації. Встановлено, що найбільш характерними новоутвореннями для педоземів є скелетани, глинисті та залізисто-глинисті кутани. Новоутворення хемогенного походження та наявність глинистих кутан свідчать про розвиток процесу лесиважу та внутрішньоґрунтового поглинення. Водночас добре окатані зерна та їх злагоджені кути вказують на інтенсивність процесу вивітрювання на дослідних ділянках. Мікроскладення дерново-літогенних ґрунтів на педоземах однорідне по профілю, за винятком шару Р3t 135-175. Відмічено, що в порівняні з іншими шарами, цей шар більш ущільнений, найгірше оструктурений та з меншим відсотком порового простору. Характерними новоутвореннями та кутанами дерново-літогенних ґрунтів на лесоподібних суглинках, сіро-зелених та червоно-бурих глинах є дрібнозернистий кальцит, який насичує матеріал основи, та його вицвіти в порах. Цей тип новоутворень має хемогенне походження, формується внаслідок міграційного перенесення насичених карбонатами розчинів та їх швидким випаровуванням. Домінування в механічному складі дерново-літогенних ґрунтів на лесоподібних суглинках пилуватої та середньої фракції, пилувато-плазмова мікроструктура, добре окатані зерна та їх згладжені кути вказують на інтенсивні процеси вивітрювання на дослідних ділянках. Хороша агрегованість верхніх гумусових шарів дерново-літогенних ґрунтів на лесоподібних суглинках обумовлена інтенсивним впливом біогеоценотичного покриву (корені рослин та діяльність ґрунтової фауни), спостерігається інтенсивне структуроутворення та висока шпаруватість верхніх шарів. З огляду на викладене, профіль дерново-літогенних ґрунтів на лесоподібних суглинках можна віднести до карбонатного типу з розвиненою зоною міграції. В результаті досліджень було встановлено, що для кожного шару дерново-літогенних ґрунтів на сіро-зелених глинах характерне домінування карбонатів. У верхніх шарах, внаслідок дії кліматичних та біологічних чинників, карбонатні утворення значно менші за розмірами, кількість великих – незначна. З глибиною, зменшується ефект вивітрювання, як наслідок – карбонатні частки значно більші за розмірами. Органічна речовина представлена в основному тільки у верхніх шарах техноземів. Представлена в основному чорним гумусом, гумонами та свіжими рослинними залишками. Відсутність проміжних стадій розкладання свіжих рослинних залишків свідчить про високу швидкість розкладання органічної речовини. З’ясовано, що основні мікроморфологічні особливості будови профілю дерново-літогенних ґрунтів на червоно-бурих глинах обумовлені різними властивостями та походженням насипних шарів. Попри це, є і загальні характеристики, такі як пилувато-плазмова мікроструктура та наявність дрібнозернистого кальциту в плазмі. Верхні шари найбільш піддаються трансформації нового середовища. Це проявляється у ерозії кальцієвих утворень, та дії біологічних агентів. Ознаки останніх виражаються у появі гумусової плазми, вуглеподібних рослинних залишків, появі біогенних мікроагрегатів та пор. Проведені дослідження дозволили встановити особливості інтенсивності змін техноземів під дією сільськогосподарських культур за умов сільськогосподарської рекультивації земель. Вперше на основі проведених еколого-мікроморфологічних досліджень встановлено ознаки нових характеристик для розкривних порід, які досліджувались на науково-дослідному стаціонарі з рекультивації земель Дніпровського державного аграрно-економічного університету, а саме: поява в плазмі гумусової компоненти, утворення порового простору біогенного походження, поява мікроагрегатів завдяки впливу на ці породи живих організмів та рослинних залишків на різних стадіях розкладання. Встановлено, що найбільшому трансформуючому впливу біологічних факторів піддаються верхні шари техноземів. Добра агрегованість верхніх шарів обумовлена впливом біогеоценотичного покриву і свідчить про інтенсивність структуроутворення верхніх шарів техноземів. Виходячи з отриманих даних, з’ясовано, що під час сільськогосподарської рекультивації найбільшому середовищепетворюючому впливу піддаються варіанти техноземів дерново-літогенних ґрунтів на червоно-бурих глинах та дерново-літогенні ґрунти на педоземах. Це проявляється у наявності ознак біологічного впливу на основні складові мікроморфологічних характеристик та його найбільшу формотворну роль. Порівнявши мікроморфологічні властивості техноземів, встановлено, що саме вплив рослинного покриву має найбільший позитивний влив на ґрунтотвірний процес. Зі збільшенням числа представників ґрунтової мезофауни збільшується поровий простір, та зростає структурованість ґрунтових агрегатів. Дерново-літогенні ґрунти насичені дрібнозернистим кальцитом та збагачуються рослинними рештками, що розкладаються, за рахунок трав’янистої рослинності, що активно взаємодіє з насипними едафотопами, які реанімують свою потенційну родючість генеруючи подібний до чорноземного типу ґрунтоутворення. Показники мікробудови в непорушному стані свідчать про те, що зростання мікроструктуроутворення знаходиться в наступній послідовності: дерново-літогенні ґрунти на сіро-зелених глинах → дерново-літогенні ґрунти на лесоподібному суглинку → дерново-літогенні ґрунти на червоно-бурих глинах → дерново-літогенні ґрунти на педоземах. Отримані результати дозволяють запропонувати доповнення до класифікаційних характеристик техноземів за Л.В. Єтеревською (2008, 2012), які відображають ефективність сільськогосподарської рекультивації на мікроморфологічному рівні. Поряд з тим набуло подальшого розвитку вчення про екологічну мікроморфологію ґрунтів Н.А. Білової (1997) щодо рекультивованих земель за умов тривалого сільськогосподарського використання. Результати досліджень можуть бути використані для подальшого прогнозування ґрунтогенезу техноземів з метою відновлення їх агроекологічних функцій. Матеріали, викладені в дисертаційній роботі, використовуються Агрофірмою «Катеринівська-1» для ефективного господарювання, а також в освітньому процесі Дніпровського державного аграрно-економічного університету при викладанні курсів: «Загальна екологія», «Екологічні основи рекультивації та охорона земель», «Екологічне ґрунтознавство», а також залучений при виконанні дипломних робіт здобувачами вищої освіти факультету водогосподарської інженерії та екології Дніпровського державного аграрно-економічного університету спеціальності 101 «Екологія». У дослідженнях застосовували польові, лабораторні, статистичні, розрахункові, загальноприйняті методи геоботанічного аналізу пробних площ та методологічні принципи екологічної мікроморфології ґрунтів, запропоновані Н.А. Біловою, А.П. Травлєєвим (1997, 1999) з відбором зразків по шарах, стандартні статистичні методи обробки даних з використанням пакетів програми «Microsoft Excel, 2010». The dissertation is devoted to the study of the peculiarities of the formation of the microstructure of technogenic soils formed from Pleistocene-Miocene potentially fertile overburden rocks (forest-like loams, mixtures of red-brown clays and loams and gray-green marl clays) without coating and with coating of soil fertile lands. The reclaimed soils of the research polygon of the State Agrarian University of Ukraine were studied in order to diagnose the degree of transformation of technogenic soils according to the condition of the rolled complexes. The main physical and aerial properties of technogenic soils, organic matter content and enzymatic activity on the example of phosphatase and their change in profile were studied. In the dissertation work the literature review and the analysis of domestic and foreign scientists on a question of soil genesis of the reclaimed soils is carried out. Based on the analysis of literature sources, the question of the peculiarities of the formation of the microstructure of reclaimed soils under conditions of agricultural reclamation is highlighted. The scientific novelty of the obtained results is that for the first time in the conditions of the Southern subzone of the Steppe zone of Ukraine the regularities of the directed processes of soil genesis at the micromorphological level on the technogenic soils formed during long agricultural reclamation are established. It is shown that due to the use of methodical approaches of ecological micromorphology the influence of ecological factors on morphological levels of soil genesis of reclaimed soils is detailed. It is noted that in the profiles with biological cover biogenic microaggregates are formed and the general micromorphological characteristics which define features of profiles of the investigated technogenic soils improve. It has been found that microaggregates of biogenic origin are common in the upper horizons, and microaggregates of lower horizons are of coagulation origin. Peculiarities of micromorphological structure of techno-soils of the trial plot of agricultural reclamation are revealed and agroecological substantiation of the process of soil formation of the studied techno-soils is given. The peculiarities of agricultural reclamation are established, which are reflected in the intensity of changes in technogenic soils under the influence of agricultural crops. They are characterized by the emergence of new characteristics for these overburden, namely: the appearance in the plasma of the humid component, the formation of the pore space of biogenic origin, the emergence of microaggregates due to the impact on these rocks of living organisms and plant remains at different stages of decomposition. Accordingly, the more we diagnose in the sections of changes in the properties of rocks under the influence of agricultural cultivation and crops, the higher the level of the environment of transformation in agricultural reclamation. It is established that the most characteristic neoplasms for pedozems are skeletons, clay and iron-clay cutanes. Neoplasms of hemogenic origin and the presence of clay cutanes indicate the development of leaching and intra-soil absorption. At the same time, well-rounded grains and their coordinated angles indicate the intensity of the weathering process in the experimental plots. The microcomposition of sod-lithogenic soils on pedozems is homogeneous in profile, except for the P3t 135-175 layer. It is noted that in comparison with other layers, this layer is denser, the worst structured and with a smaller percentage of pore space. Characteristic neoplasms and cutanes of sod-lithogenic soils on forest-like loams, gray-green and red-brown clays are fine-grained calcite, which saturates the base material and its fading in the pores. This type of neoplasm has a hemogenic origin, is formed due to the migratory transfer of carbonate-saturated solutions and their rapid evaporation. Dominance in the mechanical composition of sod-lithogenic soils on forest-like loams of dusty and middle fraction, dusty-plasma microstructure, well-rounded grains and their smoothed angles indicate intensive weathering processes in the experimental areas. Good aggregation of the upper humus layers of sod-lithogenic soils on forest-like loams is due to the intensive influence of biogeocenotic cover (plant roots and soil fauna activity), intensive structure formation and high porosity of the upper horizons are observed. Given the above, the profile of sod-lithogenic soils on forest-like loams can be attributed to the carbonate type with a developed migration zone. As a result of research, it was established that for each layer of sod-lithogenic soils on gray-green clays the dominance of carbonates is characteristic. In the upper horizons, due to climatic and biological factors, carbonate formations are much smaller in size, the number of large - insignificant. With depth, the weathering effect decreases, as a result - carbonate particles are much larger in size. Organic matter is present mainly only in the upper layers. Represented mainly by black humus, humus and fresh plant residues. The absence of intermediate stages of decomposition of fresh plant residues indicates a high rate of decomposition of organic matter. It was found that the main micromorphological features of the structure of the profile of sod-lithogenic soils on red-brown clays are due to different properties and origin of bulk layers. Nevertheless, there are general characteristics such as dusty-plasma microstructure and the presence of fine-grained calcite in the plasma. The upper horizons are most susceptible to the transformation of the new environment. This is manifested in the erosion of calcium formations and the action of biological agents. Signs of the latter are expressed in the appearance of humus plasma, carbonaceous plant residues, the appearance of biogenic microaggregates and pores. The conducted researches allowed to establish the peculiarities of the intensity of changes in techno-lands under the influence of agricultural crops under the conditions of agricultural land reclamation. For the first time on the basis of ecological-micromorphological researches signs of new characteristics for overburden were established, which were studied at the research station on land reclamation of Dnipro State Agrarian-Economic University, namely: appearance of humus component in plasma, formation of pore space of biogenic origin, appearance of microaggregates. due to the impact on these species of living organisms and plant residues at different stages of decomposition. It is established that the upper horizons are exposed to the greatest transforming influence of biological factors. Good aggregation of the upper horizons is due to the influence of biogeocenotic cover and indicates the intensity of the structure of the upper horizons. Based on the obtained data, it was found that during the agricultural reclamation the variants of sod-lithogenic soils on red-brown clays and sod-lithogenic soils on pedo-soils are exposed to the greatest environment-forming influence. This is manifested in the presence of signs of biological influence on the main components of micromorphological characteristics and its greatest formative role. Comparing the micromorphological properties of techno-soils, it was found that the influence of vegetation has the greatest positive effect on the soil-forming process. With the increase in the number of representatives of the soil mesofauna, the pore space increases and the structure of soil aggregates increases. Sod-lithogenic soils are saturated with fine-grained calcite and enriched with decomposing plant residues due to herbaceous vegetation, which actively interacts with bulk edaphotopes, which revive their potential fertility by generating a chernozem-like soil formation. Indicators of microstructure in the unbreakable state indicate that the growth of microstructure is in the following sequence: sod-lithogenic soils on gray-green clays → sod-lithogenic soils on forest-like loam → sod-lithogenic soils on red-brown clays → sod-summer pedozem. The obtained results allow us to propose additions to the classification characteristics of techno-soils according to L.V. Yeterevskaya (2008, 2012), which reflect the effectiveness of agricultural reclamation at the micromorphological level. At the same time, the doctrine of ecological micromorphology of soils was further developed of N. A. Bilova (1997) on reclaimed land under conditions of long-term agricultural use. The results of research can be used to further predict the soil genesis of technological enterprises to restore their agroecological functions. The materials presented in the dissertation are used by the Agricultural Firm "Katerynivska-1" for efficient management, as well as in the educational process of the Dnieper State Agrarian and Economic University in teaching courses: "General ecology", "Ecological bases of reclamation and protection of lands", "Ecological soil science", and also are involved in performance of diploma works by applicants of higher education of faculty of water engineering and ecology of the Dnieper state agrarian and economic university of a specialty 101 "Ecology". The research used field, laboratory, statistical, calculation, generally accepted methods of geobotanical analysis of sample areas and methodological principles of ecological micromorphology of soils, proposed by N.A. Bilova, A.P. Travleev (1997, 1999) with sampling by layers, standard statistical methods of data processing using software packages "Microsoft Excel, 2010".