CC BY
40
УДК / UDC 631.445.41 (088.22):631.434.52
АГРОЭКОЛОГИЧЕСКАЯ РОЛЬ ПАСПОРТИЗАЦИИ ЧЕРНОЗЕМНЫХ ПОЧВ В ОЦЕНКЕ ИХ ДЕГРАДАЦИОННЫХ ИЗМЕНЕНИЙ
AGROECOLOGICAL ROLE OF THE CHERNOZEMIC LAND CLASSIFICATION BY THE ASSESSMENT OF THEIR DEGRADATION CHANGINGS
Степанова Л.П., доктор сельскохозяйственных наук, профессор
Stepanova L.P., Doctor of Agricultural Sciences, Professor Коренькова E.A.*, кандидат сельскохозяйственных наук, доцент Korenkova E.A., Candidate of Agricultural Sciences, Associate Professor ФГБОУ ВО «Орловский государственный аграрный университет
имени Н.В. Парахина», Орел, Россия Federal State Budgetary Educational Establishment of Higher Education "Orel State Agrarian University named after N.V. Parakhin", Orel, Russia *E-mail: Landshaft.OSAU@gmail.ru
Цена устойчивости агроландшафта включает в себя затраты на поддержание производственных и экологических функций, в том числе природоохранных. При составлении паспорта почв территории ООО «Сельские зори» Тимского района Курской области были проведены полевые и лабораторные исследования состава и свойств чернозема типичного. В условиях землепользования установлена слабая степень эродированное™ чернозема типичного, установлено снижение содержания гумуса на 515% от его содержания в не эродированной почве (5,89%), увеличение плотности до 1,271,29 г/см2, снижение мощности гумусового горизонта. Строение почвенного профиля чернозема типичного - обозначение горизонтов по национальной системе: An - A - AB -Bk - BCk - Ck; обозначение почвенных горизонтов по системе ФАО-ЮНЕСКО: PU - AU -AU (Ca) - BCA - C (Ca). Исследованиями установлено закономерное изменение величины обменной кислотности в пахотном горизонте почвы в условиях ее деградационных преобразований. Показано, что при увеличении степени смытости почвы, происходит увеличение реакции среды с близкой к нейтральной до нейтральной от pH 5,61 до pH 6,60. То есть отмечается постепенное подщелачивание почвы. Исследованиями установлено, что развитие деградационных изменений почвы приводит к закономерному изменению концентрации тяжелых металлов. Изменение плодородия черноземных почв в результате антропогенного воздействия приводит не только к уменьшению экологической устойчивости почвы, и, как следствие, снижению урожая, но и наносит значительный экономический ущерб, требующий значительных затрат на воспроизводство утраченного плодородия и получение запланированного урожая.
Ключевые слова: паспорт почв, чернозем, эродированность, кислотность, содержание гумуса.
The price of the agro-landscape stability includes the costs for maintaining productive and ecological functions, including environmental protection. Field and laboratory studies of the composition and properties of the typical chernozem were made to create a soil passport of the territory of Ltd "Selskie Zory" of the Timsky district of the Kursk region. The results of the study showed a low degree of erosion of the typical chernozem, a decrease in humus content by 5-15% from its content in noneroded soil (5.89%), an increase in density to 1.271.29 g/cm2, a decrease in the thickness of the humus horizon under the conditions of the land use. The soil profile form of the chernozem is typical: PU - AU - AU (Ca) - BCA - C (Ca) (designation of soil horizons according to the FAO-UNESCO system). The investigations established a regular change in the value of exchangible acidity in the plowed horizon of the soil under conditions of its degradation transformations. It is shown that when the degree of soil washing increases, the increase of the soil reaction is observed from normal to neutral from pH 5.61 to pH 6.60. That is, gradual alkalinization of the soil is noted. The studies have established that the development of degradation changes in the soil leads
to a regular changings in the concentration of heavy metals. The change in the fertility of chernozem soils as a result of anthropogenic impact leads not only to the decrease in the environmental sustainability of the soil, and as a consequence, to the decrease in yields, but also causes significant economic damage, significant costs for the reproduction of lost fertility and the receipt of the planned harvest.
Key words: soil passport, chernozem, erosion, acidity, humus content.
Введение. Цена устойчивости агроландшафта включает в себя затраты на поддержание производственных и экологических функций, в том числе природоохранных [2, 3]. Устойчивость природного ландшафта часто не имеет агрономического значения, особенно, когда агронома интересует не устойчивость, а податливость таких ландшафтов к мелиорации и освоению [1, 4-7]. В отличие от саморегулирующегося функционирования природного ландшафта, агроландшафт функционирует в режиме, заданном человеком. Его устойчивость связана с поддержанием заданных параметров функционирования (определенного физико-химического состояния почв, гидролитического режима и др.) ценой определенных усилий. В связи с этим, особую значимость приобретают показатели, характеризующие производительную способность почвы и ее экологическую устойчивость, которые согласно современным требованиям к оценке уровня плодородия почвы отражаются в документе, называемом «Паспорт почвы».
Условия, материалы и методы. При составлении паспорта почв территории ООО «Сельские зори» Тимского района Курской области были проведены полевые и лабораторные исследования состава и свойств чернозема типичного.
Объект исследования - чернозем типичный среднесуглинистый восточного природно-географического района центральной части Среднерусской лесостепной подпровинции. Рельеф характеризуется наличием разнообразных высотных ярусов, наличием древних и современных форм линейной эрозии - густой сети сложно разветвленных речных долин, оврагов и балок, расчленивших водораздельные поверхности, пологоволнистый, слегка всхолмлённый, равнинный; густота долинно-балочной сети колеблется от 0,7 до 1,3 км/км2, а овражной сети от 0,1 до 0,4 км/км2. Высота поверхности над уровнем моря 175-225 м. По ботанико-географическому районированию территория относится к подзоне центральной лесостепи. Вид использования объекта исследования - земли сельскохозяйственного назначения (пашня, сенокосы, пастбища, многолетние насаждения).
Цель исследования - установить характер деградационных изменений морфологических признаков и физико-химических свойств чернозема типичного в условиях интенсивного земледелия.
Результаты и обсуждение. В условиях землепользования установлена слабая степень эродированности чернозема типичного, установлено снижение содержания гумуса на 5-15% от его содержания в не эродированной почве (5,89%), увеличение плотности до 1,27-1,29 г/см2, пористости в 0,95-0,98 раза, снижение мощности гумусового горизонта. Для снижения деградации почвы от эрозии рекомендуется использование агротехнических противоэрозионных мероприятий: оптимизация структуры посевных площадей, почвозащитные севообороты, совершенствование системы обработки почвы в севооборотах.
Строение почвенного профиля чернозема типичного - обозначение горизонтов по национальной системе: An - A - AB - Bk - BCk - Ck; обозначение почвенных горизонтов по системе ФАО-ЮНЕСКО: PU - AU - AU (Ca) - BCA - C (Ca); верхняя и нижняя граница горизонта: An°22=A2246=AB4675=Bk7593=BCK93 i35=Ck135|; характер перехода между горизонтами^ и А - ясный по структуре и плотности, граница
неровная, нечеткая, А=АВк - постепенный переход по окраске, граница неровная и нечеткая; АВк=Вк- переход ясный по окраске и наличию новообразований карбонатов кальция граница неровная, четкая, языковатая; Вк=ВСк - переход постепенный по окраске, граница неровная; ВСк=Ск - переход волнистый по окраске.
Морфологические диагностические признаки почвенных горизонтов.
Ап - пахотный горизонт - темно-серый в сухом состоянии, во влажном-черный, влажноватый, непрочнокомковатый, среднесуглинистый, пронизан корнями, объемная масса 1,18г/см2; общая пористость 53,8%, содержание гумуса - 5,89%, содержание общего азота - 0,30%, соотношение (С^) - 11,4; рН солевой вытяжки - 5,22; рН водного раствора - 6,39; ЕКО по ГОСТ 17.4.4.01.
- 33,7 мг-экв/100 г; насыщенность основаниями - 88,9%, содержание карбоната кальция (CaCOз) - не обнаружено; содержание подвижного фосфора - 145,6 мг/кг; подвижного калия - 140 мг/кг, содержание обменных катионов кальция -31,4 мг-экв/100г, магния - 3,3 мг-экв/100г; содержание солей в водной вытяжке
- К+ - 0,01 мг-экв/100г, Na+ - 0,14мг-экв/100г, Са2+ - 0,55мг-экв/100г, НСО3 -0,86+моль/100г, СГ- 0,43 ммоль/100 г.
А - гумусово-аккумулятивный горизонт - темно-серый в сухом состоянии, во влажном - черный, влажноватый, комковато-зернистый, среднесуглинистый, корни растений, объемная масса - 1,22 г/см3, общая пористость - 52,9%, содержание гумуса - 5,90%, содержание общего азота - 0,28%, соотношение (С^) - 12,2; рН солевой вытяжки 5,58; рН водной вытяжки 6,50; ЕКО 34,5 мг-экв/100 г, насыщенность основаниями 90,5%, содержание подвижного фосфора.
АВк - переходный гумусовый горизонт, темно-серый с буроватым оттенком в сухом состоянии, темно-серый во влажном состоянии, структура комковатая, слабоуплотненные, среднесуглинистый, карбонаты кальция в форме плесени, включения корней растений, вскипает с глубины 62 см, червоточины, кротовины заполненные темно-желтым мелкозерном, влажноватый.
Вк - переходный горизонт, буровато-палевый, затеки гумуса, влажноватый, комковатая структура, уплотнен, единичные корни, тяжелосуглинистый, кротовины заполнены темно-бурым мелкоземом, вскипание по всему горизонту, карбонаты в виде псевдомицелия, граница неровная, четкая, языковатая, переход по окраске.
ВСк - нижний переходный горизонт, светлопалевый, призматической структуры, плотный среднесуглинистый, карбонаты в виде рыхлого скопления псевдомицелия, плесени, вскипает бурно, в нижней части горизонта отмечается переход в материнскую породу.
Ск - почвообразующая порода, буровато-палевый, ^ палевый лессовидный суглинок. Глубина вскипания от соляной кислоты: слабо с 62 см, бурно с 80 см.
Почва - чернозем типичный среднемощный, среднегумусный, среднесуглинистый.
Показатели химических и физико-химических свойств почв.
Как показали проведенные исследования, содержание гумуса в исследуемых почвах колеблется от средней гумусированности (4-6%) - 64% площади почв до выше среднего содержания гумуса от 6 до 8% в 36% площади почв. Основной причиной снижения содержания гумуса является развитие процессов эрозии и низкий уровень внесения органических удобрений.
Емкость катионного обмена (ЕКО) чернозема типичного изменяется в пределах 31,7-51,1 мг-экв/100г почвы, что обуславливает высокую буферность и устойчивость почвы к антропогенным воздействиям и различным химическим загрязнениям. В составе обменных катионов наибольшее значение имеют ионы Са2+ и Mg2+ и незначительное количество обменных ионов Н+, что обуславливает благоприятные физические свойства и структурное состояние почвы,
насыщенность основаниями. Кислотно-основное состояние чернозема типичного характеризуется в основном как слабокислое по величине рН водной вытяжки. Такое состояние почвы обеспечивает высокую биологическую активность, хорошую усвояемость фосфора, калия, благоприятный азотный режим, активацию процессов аммонификации, нитрификации, азотфиксации, доступность микроэлементов, режима органического вещества. Анализ состояния почв по кислотности показал, что 65% пахотных почв имеет слабокислую и близкую к нейтральной реакцию среды, которая благоприятна как для гумосообразования, так и активизации микробиологической деятельности, роста и развития растений.
В составе водной вытяжки содержится незначительное количество катионов Ыа+ - 0,002-0,007, Са2+ в пределах 0,002-0,016% и анионов НСОз -0,006-0,052%; С1 - - 0,002-0,01%, что свидетельствует о низкой концентрации почвенного раствора и об отсутствии антагонизма катионов с усвоением элементов питания и создании их дефицита для растений.
Для пахотных почв производительная способность во многом определяется содержанием подвижных форм фосфора и обменного калия, так как степень их подвижности определяется физико-химическими свойствами и гумусированностью почвы.
Как видно из данных таблицы 1, только 3,7% площади пашни, или 40,6 га, имеет очень низкую обеспеченность подвижным фосфором и соответственно высокую потребность в высоких дозах внесения фосфорных удобрений. Большая часть площади пахотных земель имеет повышенное содержание подвижных фосфатов (51,6%) и только 44,6% пашни, или 484 га черноземных почв, характеризуется средней обеспеченностью подвижным фосфором и средней потребностью во внесении фосфорных удобрений.
Таблица 1 - Группировка почв пашни ^ по содержанию подвижного фосфора
№ гр. Содержание Р2О5МГ/100Г Обеспеченность почвы фосфором Потребность в дополнительном внесении фосфоросодержащих удобрений Пашня 2014 г.
га %
1 Менее 2,0 Очень низкая Очень высокая 40,60 3,7
2 2,1-5,0 Низкая Высокая 0 0,00
3 5,1-10,0 Средняя Средняя 484,00 44,6
4 10,1-15,0 Повышенная Низкая 559,70 51,6
5 15,1-20,0 Высокая Не требуется 0 0,00
6 Более 20 Очень высокая Не требуется 0 0,00
Итого: 1084,59 100
Обеспеченность черноземных почв обменным калием характеризуется как повышенная (23,3%) и высокая (68,2%), что обуславливает низкую потребность в дополнительном использовании калийных удобрений (табл. 2).
Таблица 2 - Группировка почв в пашне по содержанию обменного калия
№ гр. Содержание Обеспеченность Потребность в Пашня 2014 г.
К2О мг/100гр почв калием удобрении га %
1 Менее 2,0 Очень низкая Очень высокая 0 0,00
2 2,1-4,0 Низкая Высокая 0 0,00
3 4,1-8,0 Средняя Средняя 0 0,00
4 8,1-12,0 Повышенная Низкая 252,30 23,3
5 12,1-18,0 Высокая Не требуется 739,20 68,2
6 Более 18 Очень высокая Не требуется 92,80 8,6
7 Итого: 1084,59 100
Для оценки деградационных процессов, происходящих в почве, необходимо учитывать показатели природно-антропогенной эволюции почвы.
Нашими исследованиями была осуществлена попытка показать степень деградационных изменений плодородия чернозема типичного в условиях интенсивного сельскохозяйственного использования.
Показано, что деградация почв, растительности, рельефа и других компонентов биогеоценоза взаимосвязана, то есть деградация одного из компонентов системы вызывает деградацию других компонентов. При этом деградация соответствует потере разнообразия, уменьшению адекватности ответных реакций на внешнее воздействие и увеличению степени прямолинейности ответных реакции. Как правило устанавливается совместное воздействие нескольких факторов, вызывающих деградацию, между влиянием которых на систему отмечаются в большей степени эффекты синергизма, так и эффекты более сильного деградирующего воздействия нескольких факторов, чем суммы воздействия факторов по отдельности [8-10].
На основании полученных экспериментальных данных нами дана оценка деградации чернозема типичного по следующим показателям: содержание гумуса, содержание частиц физической глины, величина обменной кислотности, величина емкости катионного обмена для пахотных горизонтов почвы. В результате исследований полученных экспериментальных данных нами предложены следующие степени деградации чернозема типичного: «отсутствует» - 0, «слабая» - I, «средняя» - II, «повышенная» - III, «высокая» - IV (табл. 3).
Таблица 3 - Деградационные показатели изменения плодородия чернозема типичного
Показатели Значения деградационных показателей
0 I II III IV
Гумус, % 6,75 6,19 5,77 5,28 4,85
% снижения показателя - 8,3 14,5 21,8 28,1
<0,01 мм, % 34,62 32,51 32,39 32,37 32,23
% снижения - 6,1 6,4 6,5 6,9
РН Ко! 5,61 5,65 5,67 6,03 6,60
% увеличения показателя - 0,7 1,1 7,5 17,7
ЕКО, мг-экв/100г почвы 42,38 41,6 41,08 40,65 38,8
% снижения - 1,8 3,1 4,1 8,4
Как видно из данных таблицы 3, в почве, не подверженной процессам деградационных изменений, средневзвешенное содержание гумуса составило 6,75%. Незначительное проявление процессов разрушения почвы отразилось на изменении и снижении содержания гумуса на 8,3%, средняя величина содержания гумуса составила 6,19%. При усилении деградационных изменений содержание гумуса в пахотном горизонте снижалось до 5,77% или на 14,5% в сравнении с ненарушенной почвой. При повышенном проявлении деградационных процессов количество гумуса в пахотном горизонте снижалось почти на 22% и содержание гумуса достигало 5,28%. При высокой степени антропогенной деградации почвы гумусированность почвы снижалась на 28,1% и составила 4,85%. Поскольку содержание гумуса является важным условием экологической устойчивости почвы и выполнения ею экологических функций можно сделать вывод, что в условиях интенсивного земледелия с интенсивной механической обработкой почвы и недостаточным количеством внесения органических удобрений создаются условия для трансформационных изменений гумусовых соединений почвы и их миграции.
Гранулометрический состав почвы является фундаментальным свойством, от которого зависят все показатели почвенного плодородия. В условиях лесостепной зоны с характерным волнистым рельефом местности создаются условия для проявления процессов водной эрозии и элювиирования частиц физической глины нисходящими токами воды по профилю почвы. В связи с этим нами было установлено влияние антропогенного воздействия на характер изменения в содержании частиц физической глины в пахотном горизонте чернозема типичного.
В черноземах типичных, не подверженных процессам антропогенных изменений, содержание частиц физической глины составило 34,62%, при этом в почвах подверженных процессам деградации отмечается уменьшение частиц физической глины на 6,1-6,9% в зависимости от интенсивности проявления деградационного изменения почвы. Снижение частиц физической глины, а это частицы средней и мелкой пыли и илистые частицы, обусловливает снижение сорбционной способности почвы и ухудшение водно-физических и физико-механических свойств.
В условиях лесостепной зоны основной причиной антропогенного изменения почвы является опасность развития эрозионных процессов, что приводит к уменьшению мощности гумусового слоя, повышению уровня обнаружения карбонатов кальция в почве, изменению, как следствие, реакции среды. Исследованиями установлено закономерное изменение величины обменной кислотности в пахотом горизонте почвы в условиях ее деградационных преобразований. Показано, что при увеличении степени смытости почвы, происходит увеличение реакции среды с близкой к нейтральной до нейтральной от рН 5,61 до рН 6,60. То есть отмечается постепенное подщелачивание почвы.
Деградация почвы обусловливает снижение сорбционной способности почвы, обусловленную наличием органического вещества и частиц физической глины. Из данных таблицы 3 видно, что антропогенное изменение чернозема типичного подтверждается изменением величины емкости катионного обмена. Так, в ненарушенных почвах ее величина составила 42,38 мг-экв/100 г, затем с усилением степени деградации наблюдается снижение величины емкости поглощения на 1,8% при слабой степени деградации до 8,4% при высокой степени деградации.
Таким образом, по полученным данным можно сделать вывод, что эволюция почвы и ее преобразование в условиях развития деградационных процессов, а также формирование плодородия почвы происходит в условиях синергетических и альтернативных путей возникновения свойств почвы и перевода почвы в менее стабильное состояние, которое приводит к интенсивной деградации почвы.
Оценка состояния тяжелых металлов в почвах и их влияния на компоненты экологической системы имеет важное практическое значение. Для практических целей важно знать способность почв к восстановлению концентрации тяжелых металлов в растворе при их поглощении растворами и миграции в сопредельные среды. В более глинистых и более гумусированных почвах этот показатель выше. При увеличении содержания тяжелых металлов в почве происходит последовательная трансформация свойств почв, обусловленная изменением состояния сорбционных мест, величиной рН, степени оструктуренности и т.д. Наличие в почве повышенных концентраций определенных тяжелых металлов изменяет состав микрофлоры и
растительных сообществ. Поэтому необходима оценка состояния тяжелых металлов в почвах, их трансформации, миграции и аккумуляции.
Тяжелые металлы могут изменять интенсивность и направленность почвообразовательных процессов с одной стороны, а почвообразовательные процессы могут изменять содержание тяжелых металлов в верхнем слое почвы и других генетических горизонтах с другой стороны.
Исследованиями установлено, что развитие деградационных изменений почвы приводит к закономерному изменению концентрации тяжелых металлов. Так, для меди, кадмия и свинца в большей степени проявляется влияние реакции среды на закрепление этих металлов, чем выше степень насыщенности основаниями и величина pH установленная при высокой степени деградации почвы, тем выше концентрация этих тяжелых металлов в пахотном слое (табл. 4).
Таблица 4 - Содержание подвижных форм тяжелых металлов, в пахотном слое деградированных черноземах типичных (мг/кг)_
Степень деградации Cu Cd Pb Zn
Отсутствует 0 0,042 0,053 0,58 0,46
Слабая I 0,049 0,056 0,64 0,54
Средняя II 0,051 0,057 0,68 0,49
Повышенная III 0,05 0,16 0,67 0,56
Высокая IV 0,06 0,63 0,72 0,48
Для всех тяжелых металлов характерна способность к образованию комплексных соединений с гумусовыми веществами почвы, с разными величинами молекулярной массы, в зависимости от качественного состава органического вещества. Можно предположить, что на разных этапах деградационных изменений почвы образуются органо-минеральные комплексы разной степени прочности и подвижности.
Расчет экономического ущерба от изменения плодородия чернозема в результате развития природно-антропогенной деградации показал, что кадастровая стоимость исследуемой почвенной территории составляет 13,05 руб. за 1 м2 Общая стоимость земельного участка площадью 1084,6 га достигает 141 млн 540,3 тыс. руб. Утрата гумуса в количестве 1,47% от исходного средневзвешенного количества гумуса 6,75% обусловливает снижение стоимости земельного участка на 30 млн 824,332 тыс. руб. или 28,42 тыс. руб./га.
Выводы. Изменение плодородия черноземных почв в результате антропогенного воздействия приводит не только к уменьшению экологической устойчивости почвы, и, как следствие, снижению урожая, но и наносит значительный экономический ущерб, требующий значительных затрат на воспроизводство утраченного плодородия и получение запланированного урожая.
Перевод почв на новый более высокий уровень окультуренности, энергетического состояния соответствует и переводу почв в менее стабильное положение, которое может поддерживаться только при аналогичном антропогенном воздействии. Прекращение такого воздействия приводит к интенсивной деградации почв. Знание процессов и режимов почв позволяет рассчитать оптимумы свойств почв для различных условий их хозяйственного использования. Разработка и составление Паспорта почвы обеспечивает эффективное использование земель и его правовое регулирование в землеустройстве.
БИБЛИОГРАФИЯ
1. Володин В.М. Экологические основы оценки и использования плодородия почв. М.: ЦИНАО, 2000. 336 с.
2. Кирюшин В.И. Агрономическое почвоведение. Москва: КолосС, 2010. 687 с.
3. Седых В.А., Савич К.В., Шиленко О.В., Лобанов А.Г. Структурные взаимосвязи между свойствами почв, как фактор плодородия // Плодородие. 2012. № 2. C. 26-28.
4. Степанова Л.П., Яковлева Е.В., Коренькова Е.А., Писарева A.B. Состояние плодородия антропогенно-измененных серых лесных почв и его эколого-экономическая оценка // Вестник Российского университета дружбы народов. Серия: Экология и безопасность жизнедеятельности. 2015. № 3. С. 105-114.
5. Степанова Л.П., Коренькова Е.А., Степанова Е.И., Кружков Н.К. Научные основы оценки устойчивости ландшафтов и агроландшафтов и их природно-антропогенной эволюции. Орел: Издательство ОрелГАУ, 2015. 323 с.
6. Чернова О. В. О создании Красной книги почв черноземной зоны России // Почвоведение. 2002. № 12. С. 1495-1500.
7. Щербаков А.П., Васенёв И.И. Агроэкологическое состояние чернозёмов ЦЧО. Курск: Изд-во ВНИИ Земледелия и защиты почв от эрозии, 1996. 327 с.
8. Щеглов Д.И. Черноземы центра русской равнины и их эволюция под влиянием естественных антропогенных факторов. Изд. «Наука», Российская академия наук, 1999.
9. Черников В.А., Гернес А.И. Агроэкология. М.: Колос, 2000. 536 с.
10. Потери элементов в земледелии и охрана окружающей среды / С.Н. Юркин [и др.]. Обзорн. информ. ВНИИТЭИСХ. М., 1978.
