CC BY
49БИОЛОГИЧЕСКАЯ ПРОДУКТИВНОСТЬ ПОЧВ КАЗАХСТАНА В УСЛОВИЯХ АНТРОПОГЕНЕЗА
А.С. Сапаров
Научно-исследовательский институт почвоведения и агрохимии им. У.У. Успанова, 050060, Алматы, пр-т аль-Фараби, 75в, Казахстан
В статье рассматриваются приоритетные вопросы, касающиеся устойчивости и биологической продуктивности почв в условиях антропогенеза, проблемы сохранения почвенного покрова.
По объему земельных ресурсов Казахстан занимает девятое место в мире, а в расчете на душу населения одно из первых мест. Длительное и интенсивное использование земель без глубоких научно-обоснованных систем земледелия, технологий, отсутствие оценки агроэкологиче-ского потенциала территории привело к значительному снижению плодородия почв. Равновесие между процессами гуму-сообразования и минерализацией сместилось в сторону ухудшения гумусовой обеспеченности и постепенной деградации почв. Так, черноземы и темно-каштановые почвы Северного Казахстана за период освоения целины и залежных земель потеряли до 30% естественного содержания гумуса - основного показателя почвенного плодородия [1].
Вместе с тем проблему плодородия почв нельзя сводить к содержанию гумуса, забывая о микробиологических, биохимических процессах, плотности, агрегатном состоянии, водоудерживающей способности, водопроницаемости и других ее показателях.
Многократное воздействие ходовых систем тяжелой сельскохозяйственной техники в период обработки почвы и уборки урожая зерновых культур вызывает ухудшение агрофизических свойств пахотного слоя и уплотнение подпахотного горизонта. Так, многолетние исследования, проведенные учеными Института, показали, что усиленная антропогенная нагрузка на черноземах привела к изменению морфологических, агрохимических, водно-физических свойств и других факторов снижения плодородия. Изучение характера изменений физико-химических
свойств целинных и освоенных черноземов показало, что все изменения в значительной мере влияют на снижение плодородия длительно осваиваемых почв, но ни коей мере не вызывают коренных изменений генетического профиля и его свойств. Типовые, подтиповые и родовые черты черноземов сохраняются. Все изменения происходят на видовом уровне. Так, черноземы обыкновенные среднегумусные могут переходить в разряд малогумусных, а южные малогумусные - в слабогумуси-рованные, что в значительной мере ведет к снижению их плодородия.
Длительная обработка черноземов Северного Казахстана привела к потере гумуса в пахотном слое на 20-27% , по сравнению с целиной, а азота - на - 13-30%. Одновременно с уменьшением содержания общего гумуса на пашне происходит изменение фракционного и группового состава. В освоенных черноземах в пахотном горизонте увеличивается количество гу-миновых кислот связанных с минеральной частью и устойчивыми формами полуторных оксидов и снижается содержание гу-миновых кислот связанных с кальцием. В этих почвах одновременно прослеживается трансформация питательных элементов, где наблюдаются потери валовых запасов калия до 2,06-2,24%, фосфора до 0,0500,079% и почти в два раза - валовые запасы азота (0,172-0,292%). Потери подвижных форм азота составляют более чем 30% от исходных запасов.
Важным фактором утраты плодородия являются эрозионные процессы, способствующие деградации природных ландшафтов. В результате разработки почвозащитной системы земледелия и оснащения
сельского хозяйства Казахстана противо-эрозионной техникой ветровая эрозия была в определенной степени предотвращена. Однако, при этом, водная эрозия по-прежнему является одним из основных факторов деградации почв.
Развитие водной эрозии на черноземах связано с резкой континентальностью климата, способствующей глубокому промерзанию почвы и быстрому снеготаянию, ливневому характеру летних осадков и антропогенной деятельности, что создает благоприятные условия для формирования интенсивного стока на склонах малой крутизны. К примеру, водной эрозии только в Акмолинской области подвержено более 60% пашни.
В этом плане разработка и внедрение новых технологий возделывания сельскохозяйственных культур на основе «консервирующих» приемов обработки почвы на неорошаемых землях обеспечит защиту почв от эрозии, улучшит влагообеспечен-ность посевов, позволит сохранить и повысить содержание гумуса и почвенного плодородия в целом.
На юге и юго-востоке Казахстана широко развито орошаемое земледелие, и в этих землях наблюдаются ощутимые потери гумуса (более 40%), ирригационная эрозия, процессы вторичного засоления и различное загрязнение почв.
Примером может служить формирование почвенного покрова орошаемых массивов по долинам трансграничных рек Шу, Сырдарьи, происходившее под воздействием длительной антропогенно-ирригационой деятельности человека, на которые накладывались другие природно-климатические факторы и почвенно-геохимические процессы - оглеение (рисовые массивы), карбонатизация, засоление, загрязнение почв тяжелыми металлами и радиоактивными веществами.
В результате длительной ирригации ухудшилось почвенно-мелиоративное состояние земель, которое привело к формированию на территории Тас-Откельского массива орошения (долина реки Шу) техногенных зон выщелачивания геохимиче-
ских барьеров. Зоны выщелачивания приурочены к орошаемым дренированным участкам правобережья, а техногенные геохимические барьеры сформированы на участках резкого снижения миграции. Примерами барьера служат засоленные почвы левобережного массива орошения.
Исследованиями установлено, что в этой зоне наблюдается сопряженность со-довозасоленных почвенных контуров с очагами накопления водорастворимого бора, фтора, и тяжелых элементов - свинца, цинка, меди, обусловленная их высокой растворимостью и подвижностью в щелочной среде, и наличием физико-механического, химического геохимических барьеров. Их эпицентры приурочены к орошаемым и неорошаемым слабодре-нированным участкам левобережья р. Шу.
Анализ профильного распределения бора и фтора показал, что для бора они более контрастны в слое 30-50 см (до 86 мг/кг), более подвижный фтор достигает максимума 3-5 ПДК в слое 50-100 или 100150 см. При этом отмечена высокая корреляционная зависимость содержания подвижного бора с количеством поглощенного натрия в ППК. На орошаемых почвах выделены 3 типа режима накопления бора в зависимости от комплекса почвенно-мелиоративных признаков: количество илистой фракции, литологическое строение и характер водного режима почв.
По содержанию подвижных микроэлементов (РЬ, Си, 2п, Мп, Со, В) содовозасо-ленные почвы при их химической мелиорации обогащаются медью, цинком и бором до 2 -3 ПДК
В результате солонцового процесса Мп, РЬ, 2п выносятся из верхней части профиля и накапливаются в иллювиальном горизонте, а соленакопление бора и фтора всегда сопутствует почвам щелочного галоге-неза, причем содержание бора превышает потребности растений в 3-5 раз.
Для большинства гумусированных почв выявлена достоверная положительная корреляция между содержанием марганца и гумуса. Освобождаясь в процессе минерализации растительных остатков, Мп пере-
ходит в малоподвижные окисленные соединения (оксиды и силикаты), и надолго задерживается в гумусовом горизонте почвы и является причиной его валового роста.
Закрепление микроэлементов (Си, 2п) перегноем происходит за счет их поглощения органическими коллоидами и образованием комплексных и внутрикомплекс-ных соединений с гумусовыми веществами.
В мелиорированных почвах с содержанием гумуса 1,5-2,0% органическое вещество играет значительную роль в аккумуляции меди, но очень слабо закрепляет марганец. При внесении кислых химических мелиорантов таких как фосфогипс, пирит в сочетании с органикой минерального (зола, уголь пылевидный) и растительно-животного (навоз) происхождения, отмечено высокое содержание меди (7,59,0 мг/кг), приуроченной в основном гумусовому горизонту. При этом и количество органического вещества возрастает на 18%.
Аномально высокое содержание подвижного 2п (13,5-18,0-59 мг/кг) обнаружено при внесении 6 тонн фосфогипса и 4 тонн золы, 37,5 и 50 тонн пирита (FeS2) и золы 10 тонн на гектар. Учитывая их невысокое содержание в природных водах Тас-Откельского массива орошения, загрязнение почвенного слоя цинком, по-видимому, связано с внесением грузных доз золы и пирита, содержащих 200 и 68 мг/кг валового цинка.
В результате длительного ирригационного освоения и орошения в интенсивных свекловичных севооборотах Тас-Откельского массива сформировались техногенные региональные по содержанию фтора и локальные по бору геохимические аномалии в почвах и грунтовых водах. Генезис и миграция бора связаны с общими региональными процессами засоления и рассоления ирригационного ландшафта, исходное происхождение которого определяется выветриванием из коры эндогенных боратов, а техногенное загрязнение почв и грунтовых вод фтором, и тя-
желыми металлами - медью и цинком обусловлено длительной и интенсивной химизацией и мелиорацией земель свекловичных севооборотов. Состав и протяженность потоков бора, фтора и тяжелых элементов контролируется ландшафтно-геохимической обстановкой право- и левобережья, наличием геохимических барьеров - щелочных, сорбционных, термодинамических и фильтрационно-гидравлических.
При возможном возобновлении использования Тас-Откельского массива в сельском хозяйстве, как зоны свеклосеяния, необходимо внедрение технологии повышения продуктивности сахарной свеклы за счет повышения плодородия почв приемами мелиорации - комбинированными дозами химических мелиорантов (зо-ла+фосфогипс) и оптимизация минерального питания как макро- так и микроэлементами. При этом прибавка урожая корнеплодов составит 50-70%, а сахара - 15%.
При изучении особенности формирования почвенных режимов периодически затопляемых почв, отмечены все почвенные признаки, определяющие современное почвенно-мелиоративное, экологическое состояние и плодородие староорошаемых рисовых почв Акдалинской системы дельты реки Или. Существующий режим затопления в процессе выращивания риса приводит к опреснению исследуемых почв и формированию гидроморфных рисовых почв незасоленного ряда, о чем свидетельствует весьма незначительное содержание водорастворимых солей в почвенном профиле (0,17-0,34%/ Исследованные почвы имеют слабощелочную реакцию почвенной среды (рН 7,21- 8,51). Высокая карбо-натность и насыщенность поглощающего комплекса натрием способствовала на ранней стадии освоения массива постоянно высокой щелочной реакции почвенного раствора (рН 8,5-9,5). В настоящее время общая щелочность рисовых почв снизилась и не превышает 8,5 рН. Из-за высокой карбонатности твердой фазы орошаемых почв наблюдается повышение временной щелочности, обусловленное застойными
условиями и процессами восстановления сульфатов, динамическими изменениями карбонатного равновесия.
Полученные положительные корреляции между содержанием физической глины (частиц менее 0,01), суммы ППК почв и содержания общего гумуса позволяют разработать биотехнологии оптимизации почвенных параметров и признаков рисовых почв, способствующих закреплению питательных элементов, органического вещества и формирующих уровень плодородия исследуемых почв.
По результатам исследований установлено, что многолетний (более 30 лет) режим затопления в условиях риса приводит к опреснению исследуемых почв, формируются гидроморфные рисовые почвы не-засоленного ряда. Значение рН увеличивается с возрастанием С02. При этом отмечено временное повышение щелочности почв, обусловленное процессами восстановления сульфатов, динамическими изменениями карбонатного равновесия. Положительная корреляция и взаимосвязь между физической глиной, суммой поглощающего комплекса почв и общим гумусом способствует формированию плодородия рисовых почв. Обильный рост микроорганизмов (денитрофикаторов, суль-фатредуцирующих, железовосстанавли-вающих) обусловлен наличием органических остатков (люцерна). При затоплении происходят процессы нитрификации и де-нитрификации, что приводит к превращению NH4 в NO3 с последующим образованием N и ^О и к потере азота. Окислительно-восстановительные процессы влияют на распределение макро и микроэлементов по профилю рисовых почв. Рисовые почвы низкообеспечены азотом и фосфором, но высокообеспечены подвижным калием. Применение бобовых культур в частности люцерны в рисовом севообороте способствует обогащению почвы органикой и соответственно азотом.
При реализации упрощенного севооборота с преобладанием в структуре посевных площадей культуры люцерны идет стабилизация содержания подвижного азо-
та в 1 год люцерны и их рост при возделывании 2 года в пределах 30%. Содержание валового азота составляет 0,028 - 0,07%, а подвижного 28- 76 мг/кг. По обеспеченности почв легкогидролизуемыми формами азота в зависимости от занятости культур севооборота она колеблется от очень низкого уровня содержания до среднего. Преобладают по сезонам вегетации, почвы низкого уровня содержания азота. По содержанию валовых и подвижных форм фосфора они в основном относятся к низким и среднеобеспеченным. Рисовые почвы дельты р. Или, как и все аридные почвы высокообеспечены подвижными формами калия. Их содержания в пределах 168 - 674 мг/кг колеблются в зависимости механического состава почвы.
Антропогенное воздействие на почвенный покров имеет почти повсеместное распространение. Среди них наибольшую опасность представляет для человека загрязнение почв нефтегазовыми выбросами, тяжелыми металлами, радионуклидами и др.
Проблемы экологии почв Казахстана сложны и многофакторны. Нарушение экологического равновесия может вызываться как естественными, так и антропогенными факторами. Антропогенный пресс оказывает существенное влияние на экологическую ситуацию в республике. Технический прогресс, нерациональное использование природных ресурсов привели к интенсификации процессов деградации и опустынивания почвенного покрова Казахстана.
В Западном Казахстане широкое распространение получило нефтехимическое загрязнение, где сосредоточено более 90% разведанных и потенциальных ресурсов углеводородного сырья [2].
Почвенный покров нефтепромыслов сильно разрушен и загрязнен сырой нефтью, химическими реагентами, минерализованными сточными водами нефтеперерабатывающих предприятий. В результате нефтехимического загрязнения происходят глубокие генетические изменения почв, практически необратимые при сущест-
вующих методах мелиоративного воздействия. Применение механических, физических и химических методов очистки почв от нефтяных загрязнений не дает должного эффекта.
В связи с этим в последние годы расширяются методы рекультивации, особенно применение биологических методов, основанных на использовании микроорганизмов, которые эффективно превращают сложные химические соединения в простые. Такие микроорганизмы выделены в НИИ почвоведения и агрохимии им. У.У. Успанова. При исследовании выделенных микроорганизмов-деструкторов установлено различие по утилизации как всего комплекса углеводородов, содержащихся в нефти, так и ее парафинистой фракции на различных типах почв, преобладающих в Прикаспийском регионе. При этом отмечено, что наибольшую деструкционную активность микроорганизмы проявляли на приморско-луговых почвах, несколько слабее эта способность была на бурых и незначительной на серо-бурых почвах. Самыми активными по потреблению па-рафинистой фракции нефти были бактериальные культуры, отнесенные к сапрофитным микобактериям и родственным им формам.
Поскольку при нефтяном загрязнении вносится большое количество углерода, резко меняется соотношение С^. Кроме того, загрязнение среды нефтью приводит к снижению содержания подвижного фосфора и обменного калия, закупориванию почвенных пор, и, как следствие, отсутствию доступа кислорода. Эти лимитирующие размножение микроорганизмов факторы устраняются агротехническими приемами: рыхлением почвы и внесением удобрений Р, К).
Одним из факторов успешной биореме-диации нефтезагрязненной почвы является внесение в почву биомассы микроорганизмов-деструкторов в достаточном количестве.
Критическое экологическое состояние почв сложилось в Приаралье - зоне интенсивного опустынивания, засоления и де-
фляции почвенного покрова. Процессы опустынивания и деградации почв охватили огромную территорию бассейна Аральского моря. Усыхание Арала - это крупномасштабный пример обсыхания и проявления ветровой эрозии почв, их загрязнения, снижения биологического потенциала и, следовательно, условий для существования человека. Кроме того, осушенное дно моря стало крупнейшим очагом планетарного соле-пылепереноса. Снижение экологического и социально-экономического потенциала Приаралья определяется не только напряженной экологической и санитарно-эпидемиологической обстановкой, но и опустыниванием ее территории, снижением продуктивности сельскохозяйственных угодий, потерей плодородия почв.
Все перечисленные негативные явления установлены учеными Института и научно подтверждены результатами. В результате проведенных исследований в современной дельте Сырдарьи и на обсохшем дне показали, что тенденция развития негативных процессов (засоление, аридизация, дефляция) сохраняются. Процесс опустынивания наиболее ярко выражен в переходной полосе от современной дельты к обсохшему дну Аральского моря, где доминирующими почвами являются такыровидные и пустынные песчаные почвы, а также ота-кыривающиеся и такыровидные солончаки. В современной дельте Сырдарьи благодаря хозяйственной деятельности человека (орошение, обводнение сенокосных угодий) процессы засоления и аридизации менее активны и носят локальный характер. Дефляционные процессы в наибольшей степени проявляются в переходной полосе и на обсохшем дне моря.
Антропогенная аридизация и трансформация почв Приаралья продолжается. Дальнейшее ухудшение почвенно-экологической обстановки обусловлено не только аридизацией территории, но и хозяйственной деятельностью человека, в частности, развитие процессов вторичного засоления почв. Почвенно-эрозионные исследования указывают на усиление эрози-
онно-дефляционных процессов на обсохшем дне моря: развеивание и вынос соле-пылевого материала с поверхности солончаков, активная дефляция песчаных массивов, увеличение площади почв с навеянным песчаным чехлом. Продолжающиеся развития аридизации, дефляции, засоления и других негативных процессов в Приара-лье ведут к дальнейшей деградации почв и обострению экологической ситуации в регионе. Это требует разработки мероприятий по более эффективному и целенаправленному использованию водно-земельных ресурсов особенно при возделывании риса на засоленных и солонцеватых почвах, а также изучении их солевого режима и разработки процессов повышения продуктивности культур и почвенного плодородия.
Серьезное беспокойство вызывает техногенное нарушение почвенного покрова республики, которое в настоящее время достигло крупных размеров, и требует принятия неотложных мер по рациональному их использованию и охране.
В Казахстане ежегодно извлекается из недр открытым способом свыше 60 млн.т. строительного материала [2]. При относительно небольшой глубине разрабатываемых карьеров, уничтожаются значительные площади почвенного покрова. Отработанные карьеры практически не рекультивируются. В связи с этим требуется проведение комплексных исследований нарушенных экосистем и изучение процессов почвообразования на нарушенных землях. В предгорьях и подгорной равнине юга Казахстана находятся различные запасы сырья для производства строительных материалов.
По характеру рельефа и способам разработки сырья для производства строительных материалов в предгорьях и подгорных равнинах юга Казахстана образуются различные группы нарушенных земель. Разработки ведутся открытым способом. Основные нарушения в виде карьеров, которые образуют различные формы рельефа: котловинообразные, среднеглу-бокие, неглубокие, нагорные, террасовид-ные, речные. Разработки площадных зале-
жей горизонтального и пологого падения, высотного типа крутого падения ведутся в несколько уступов. Преобладающими элементами рельефа являются днища, откосы, уступы.
На техногенных ландшафтах юго-востока Казахстана процессы почвообразования идут с различной скоростью, так как природно-климатические условия юга по-разному влияют на гидротермический режим первичных почв. В молодых почвах все биогеохимические процессы идут ускоренными темпами, а в зрелых зональных почвах эти процессы стабильны и замедленны. Учеными установлено, что в почво-грунтах карьеров присутствует бактериальная флора, свидетельствующая о наличии органических веществ и о почвообразовательных процессов, которые идут по зональному типу, в предгорьях и подгорных равнинах Заилийского Алатау, то есть по законам вертикальной зональности.
Решением данной проблемы является восстановление и рекультивация техно-генно-нарушенных почв. В целях противо-эрозионных мероприятий в предгорной зоне Заилийского Алатау рекомендуется укреплять откосы карьеров, бермы карьеров древесно-кустарниковыми породами, плодово-ягодными насаждениями. Наряду с этим, немаловажное значение имеет прогнозирование тенденций трансформационных процессов в почве. Его невозможно решать без достоверной систематизированной информации, включающей данные о пространственном распределении почв и об основных свойствах почв (морфологических, физико-химических, генетических).
В настоящее время научно-исследовательская деятельность НИИ почвоведения и агрохимии им. У.У.Успанова имеет комплексный многоплановый характер с решением, прежде всего, почвенно-экологических проблем, проблем сохранения почвенного покрова и плодородия почв. В этом плане особую актуальность приобретают вопросы управления земельными ресурсами для устойчивого развития территорий, контроля экологическим со-
стоянием почвенного покрова, сохранения и воспроизводства почвенного плодородия, прогнозирования тенденций трансформации почв. Эти задачи невозможно решать без современных (электронных) почвенных карт.
В Казахстане только в Научно-исследовательском институте почвоведения и агрохимии им. У.У.Успанова проводятся работы по созданию почвенно-информационной системы республики (включающую базу данных, компьютерную почвенную карту, карту баллов бонитета почв). Почвенные карты составляются новыми методами с использованием космических фотоснимков, позволяющих получить более информативный почвенно-картографический материал с достаточно точным изображением ареалов почв, их комбинаций. В настоящее время учеными Института составлена компьютерная поч-
венная карта юго-востока Казахстана (Семиречья) масштаба 1:500 000. На почвенной карте показаны типы, подтипы и роды почв. Легенда к карте включает в себя 169 номеров, отражающих как почвы, так и напочвенные образования - ледники, выходы плотных пород, галечники и т.д. На основе созданных почвенной базы данных и почвенной карты составлены карты природного районирования и карта баллов бонитета почв. Составление почвенных карт по регионам продолжается.
Таким образом, учеными Института на основе проведенных исследований установлено современное эколого-генетическое состояние почвенного покрова Республики Казахстан, масштабы и характер деградации почвенного покрова, разработаны мероприятия по восстановлению плодородия и реабилитации почв.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Аханов Ж.У., Джаланкузов Т.Д., Абдыхалыков С.Д. Основные направления научных исследований Института почвоведения МОН РК на ближайшее десятилетие // Проблемы генезиса, плодородия, мелиорации, экологии почв, оценка земельных ресурсов. Алматы. Тетис. 2002. С.5-7.
2. Каражанов К.Д., Аханов Ж.У., Асанбаев И.К., Фаизов К.Ш. Проблемы экологии Казахстана // Состояние и рациональное использование почв Республики Казахстан. Мат-лы научн. конф. Алматы. Тетис.1998. С. 14-18.
TY^H
Ма^алада антропогенез жагдайында топыракгьщ т^ракгылыгын, биологияльщ ешмдшшн арттыру мен топыра^ жамылгысын са^тауга ^атысты езекп мэселелер ^арастырылган.
Resume
The article deals with the priority issues concerning soil stability and biological productivity in the conditions of anthropogenesis and the problems of soil cover conservation.
