CC BY
50
УДК 504.54:631.459(470.44/47)
экологическая оценка современного ресурсного потенциала черноземных почв Поволжья
И.Ф. МЕДВЕДЕВ, доктор сельскохозяйственных наук, зав. отделом (e-mail: [email protected])
Н.Г. ЛЕВИЦКАЯ, кандидат сельскохозяйственных наук, зав. лабораторией
И.И. ДЕМАКИНА, кандидат сельскохозяйственных наук, научный сотрудник
М.Н. ЛЮБИМОВА, кандидат сельскохозяйственных наук, научный сотрудник
Научно-исследовательский институт сельского хозяйства Юго-Востока, ул. Тулайкова, 7, Саратов, 410010, Российская Федерация
Резюме. В статье представлены результаты наблюдений за показателями экологического состояния почв на стационарных опытах НИИСХ Юго-Востока и блоках почвенного мониторинга Саратовской области. Цель исследований -оценка факторов естественной и антропогенной трансформации экологического состояния черноземных почв Поволжья и их влияния на продуктивность биогеоценозов. К числу негативных факторов относятся процессы эрозии, дегумификации, подкисления и др. Ежегодные потери гумуса в регионе в результате эрозии в 1980 г. составляли от 4,5 до 5,0 т/га, а в современных условиях на фоне пониженной интенсивности плоскостной эрозии - до 1,5 т/га. Мощность гумусового горизонта почв изменяется от 34 до 64 см, запасы гумуса в почвенном профиле - от 179 до 437 т/га, содержание минерального азота - от 23,8 до 48,6 мг/кг, доступного фосфора - от 12,9 до 17,6 мг/кг, обменного калия - от 179 до 289 мг/кг. Почвенные профили под полевыми севооборотами и залежами, по сравнению с целиной, потеряли в среднем по 5 блокам мониторинга, соответственно 54 т/га (15,6%) и 35 т/га (10,1%) запасов гумуса. В эродированных черноземах мощность гумусового горизонта уменьшается на 20-28%, обеспеченность минеральным азотом - в 1,2-1,6 раза. Наибольшая биологическая продуктивность ценозов отмечена на черноземе выщелоченном в условиях выпадения большего количества осадков. Современный ресурсный потенциал черноземных почв Поволжья характеризуется изменением условий влагообеспеченности, направленности почвообразовательных процессов, средним и пониженным содержанием гумуса в почвенном профиле с тенденцией его дальнейшего уменьшения, средней обеспеченностью минеральным азотом и достаточно высокой доступным фосфором и обменным калием. Ключевые слова: изменение климата, осадки, водная эрозия, рельеф, гумус, минеральный азот, доступный фосфор, обменный калий, биоценоз, продуктивность. Для цитирования: Экологическая оценка современного ресурсного потенциала черноземных почв Поволжья / И. Ф. Медведев, Н. Г. Левицкая, И. И. Демакина, М. Н. Любимова // Достижения науки и техники АПК. 2016. Т.30. №1. С. 14-17.
Эффективное использование земельных угодий в условиях глобального изменения климата, активного проявления эрозионных процессов и деградации почвенного плодородия предполагает правильную оценку их ресурсного потенциала. Наряду с интенсивным хозяйственным использованием почвенных ресурсов без достаточного возврата органического вещества, определенным образом на продуктивности сельскохозяйственных культур отражаются климатические изменения [1, 2, 3, 4]. Поэтому мониторинг плодородия почв и системный анализ глубины естественной и антропогенной их трансформации, а также своевременная разработка путей адаптации
сельского хозяйства к новым условиям - важнейшие задачи современной аграрной науки.
Цель наших исследований состояла в оценке факторов естественной и антропогенной трансформации экологического состояния черноземных почв Поволжья и их влияния на продуктивность биогеоценозов.
Условия, материалы и методы. Исследования проводили в длительных стационарных опытах на полях экспериментального хозяйства ФГБНУ «НИИСХ Юго-Востока», а также на 5 локальных блоках почвенно-экологического мониторинга, функционирующего на территории Саратовской области. Почвенный покров локальных блоков представлен следующими типами и подтипами почв: блок №1 -чернозем обыкновенный средне- и маломощный легкоглинистый; блок №2 - чернозем обыкновенный средне- и маломощный тяжелого гранулометрического состава слабосмытый; блок №3 - чернозем выщелоченный среднемощный слабосмытый тяжелосуглинистый; блок №4 - чернозем обыкновенный среднемощный тяжелосуглинистый на коренных породах; блок №5 - чернозем южный малогумусный тяжелосуглинистый.
Географическую привязку тестовых полигонов и точек отбора почвенных и растительных образцов к местности осуществляли на координатной основе с помощью прибора позиционирования (GPS). Агрохимические параметры, содержание и запасы гумуса в почве определяли по стандартным методикам. Для оценки современных тенденций изменения климата использовали данные многолетних наблюдений по метеостанциям Саратовской области. Обработку материалов проводили методами дисперсионного, корреляционного и статистического анализа с использованием компьютерных программ ArcView и Surfer.
результаты и обсуждение. Черноземные почвы в Поволжье обладают достаточно высоким уровнем плодородия. Запасы гумуса под естественными биоценозами достигают 200-600 т/га, а в почвах агроценозов - 150-500 т/га [5]. Однако отчетливо выраженный рельеф местности, особенности климатических условий и высокая степень распаханности территории оказывают значительное влияние на природные и антропогенные почвообразовательные процессы, а также на ресурсный потенциал агроланд-шафтов. К наиболее ярко выраженным негативным факторам сегодня следует отнести процессы эрозии, дегумификации, подкисления и опустынивания почвенного покрова.
Цикличность изменения климата отразилась на интенсивности проявления эрозионных процессов. Так, до 1980 г. потери гумуса почвы от плоскостной эрозии составляли от 4,5 до 5, т/га в год, а в современных условиях черноземная пашня ежегодно теряет от 1 до 1,5 т/га. Согласно схеме противоэро-зионных мероприятий доля черноземной пашни, разрушенной в различной степени процессами водной эрозии, в регионе превышает 55%.
Рисунок. Тренды среднегодового уровня минерализации грунтовых вод на различных элементах агроландшафта, Экспериментальное хозяйство ФБГНУ «НИИСХ Юго-Востока»: —*— пашня ( - линейный); —Ш--целина (— — - линейный);
—*--ложбина (—.--линейный).
Ретроспективный анализ результатов сплошного мониторинга содержания гумуса в почве показал, что его потери за годы сельскохозяйственного использования достигли 40-50%. Из почвенного покрова южной и западной части Окско-Донской равнины почти исчезли тучные, мощные и высокогумусные (12-14%) черноземы, которые по преобладающим генетическим признакам перешли в среднегумусные типичные или обыкновенные черноземы с содержанием гумуса 6-8%. Массивы южных черноземов, в свою очередь, трансформируются в темно-каштановые почвы. Активная часть гумуса черноземов, благодаря которой формируется основная масса урожая, сократилась с 60-65 до 35-45% [6] .
Наряду с процессами эрозии, большую роль в дегумификации почв играют процессы минерализации гумуса. Наиболее активно она происходит в паровых полях, где ежегодно распадается от 1,5 до 2,5 т/га гумуса. В результате периодически промывного режима, накопленные в период парования, значительные количества питательных элементов весной, во время снеготаяния, мигрируют за пределы корнеобитаемого слоя в грунтовые воды и фактически исключаются из малого биологического круговорота. Рост среднегодового уровня минерализации грунтовых вод подтверждают линейные тренды, построенные по данным мониторинга их состояния в условиях стационарного опыта по определению содержания органического вещества в верхних горизонтах грунтовых вод на различных элементах рельефа (см. рисунок).
Одной из острых экологических проблем черно-земностепных районов Поволжья, возникших в последние годы, стало увеличение площади кислых почв. Только в Саратовской области она возросла до 15%. Это обусловлено глобальным изменением климата, а также длительным нахождением почвы в
обработке, потерями кальция и магния из корнеоби-таемого слоя в период снеготаяния и недостаточным поступлением свежего органического вещества для восстановления гумуса. Аналогичные изменения происходят и в других регионах страны [7-9].
Дегумификация черноземных почв в Поволжье в комплексе с глобальным потеплением климата усиливает процессы опустынивания. Особенно значительные его масштабы отмечаются в черноземной зоне Саратовской и Волгоградской областей. Это результат интегрального воздействия на экосистемы аридных и субаридных зон. Катализатором такого процесса, наряду с глобальным потеплением, служит высокая степень распаханности территории и бессистемное использование земельного фонда.
Оценка современного ресурсного потенциала черноземных почв по 5 локальным блокам в рамках эколого-почвенного мониторинга показала, что мощность гумусового слоя в почвенном профиле определяется, прежде всего, эколого-ландшафтными условиями и тесно связана с количеством выпадающих осадков и числом засух. Наибольшими запасами гумуса (427-437 т/га) обладают почвенные профили черноземов обыкновенных, самыми низкими (179 т/га) -черноземы южные (табл.1).
Экологические особенности локальных блоков почвенного мониторинга проявляются в количественном изменении содержания минерального азота, доступного фосфора и обменного калия. Наибольшее количество минерального азота (45,4-48,6 мг/кг) отмечено на черноземах выщелоченных и обыкновенных, расположенных в северной части черноземной зоны Саратовской области, характеризующейся более низким температурным режимом и повышенным увлажнением.
Содержание доступного фосфора в почвенном профиле различных подтипов почв колеблется от
Таблица 1. ресурсный потенциал черноземных почв по локальным блокам почвенно-экологического
мониторинга
Показатель Локальный блок почвенного мониторинга
1 2 3 4 5
Мощность гумусового горизонта, см 64 53 63 34 44
Содержание гумуса в почвенном профиле, % 3,6 3,3 3,6 3,5 2,3
Запас гумуса в почвенном профиле, т/га 427 277 437 262 179
Содержание минерального азота, мг/кг 31,7 23,8 45,4 48,6 32,3
Содержание доступного фосфора (по Мачигину), мг/кг 16,1 12,9 13,3 17,6 17,6
Содержание обменного калия, мг/кг 183 280 268 179 289
Таблица 2. Запасы гумуса в почвенном профиле по локальным блокам почвенного мониторинга под разными биоценозами, т/га
Локальный блок почвенного мониторинга Целина Залежь Пашня
1 497 386 398
2 313 294 225
3 455 442 413
4 270 264 252
5 197 169 172
Среднее 346 311 292
12,9 мг/кг на черноземах обыкновенных до 17,6 мг/ кг на черноземах южных.
Почвы черноземной степи имеют достаточно высокую обеспеченность обменным калием, что связано как с особенностями минералогического состава материнской породы, так и с уровнем антропогенного использования. В среднем по гумусовому слою почвы элементарных почвенных ареалов черноземной степи содержат от 179 до 289 мг/кг подвижного калия.
Различное сельскохозяйственное использование почв оказывает влияние на содержание и запасы гумуса в почвенных профилях. В среднем по 5 блокам мониторинга почвенные профили под полевыми севооборотами и залежами, по сравнению с целиной, как биоценозом в наименьшей степени подверженном антропогенному воздействию, потеряли соответственно 54 т/га (15,6%) и 35 т/га (10,1%) запасов гумуса (табл. 2).
Более интенсивно теряют гумус черноземы обыкновенные, а наименьшие его потери отмечены на черноземах выщелоченных. Черноземы южные по величине этого показателя занимают промежуточное положение.
Деградационные процессы затрагивают весь комплекс потенциального и эффективного плодородия почв. Снижение уровня запасов гумуса ведет к трансформации содержания в почве основных питательных элементов. Известно, что в составе гумуса находится преобладающая масса азота, откуда он поступает в растения [5]. Поэтому между их содержанием существует прямая связь, а потери гумуса в результате негативных процессов ухудшают обеспеченность почвы азотом. Так, в эродированных почвах, по сравнению с неэродированными, содержание легкогидролизуемого азота снижается на 38,9%, трудногидролизуемого - на 15,9%, неги-дролизуемого - на 9,8%.
Преобладание в структуре минерального азота восстановленной формы может свидетельствовать о низком качестве гумуса и, как следствие, недостаточной степени агрегированности и относительно высокой плотности сложения почвы, что, в свою очередь, приводит к снижению воздухопроницаемости и водоудержания.
Исследования показывают, что ресурсное состояние пашни в различных агроландшафтах определяется выраженностью и ориентированностью элементов рельефа. Склоновые земли отличаются
Таблица 3. Биологическая продуктивность раз мониторинга
ухудшением водно-физических свойств почвы, снижением мощности гумусового горизонта и запасов гумуса, а также ухудшением его качественного состава. В среднем мощность гумусового горизонта эродированных обыкновенных и южных черноземов уменьшается, по сравнению с неэродированными, на 20-28%, а обеспеченность минеральным азотом в 1,2-1,6 раза. На содержание доступного фосфора и обменного калия степень смытости почвы оказывает менее заметное влияние. Особенно сильное снижение почвенного плодородия происходит на склонах южной экспозиции, что можно объяснить большей интенсивностью проявления эрозионных процессов. Так, по результатам стационарных опытов запасы гумуса в пахотном слое южного чернозема на склоне северной экспозиции уменьшились, по отношению к водоразделу, на 17%, а на склоне южной экспозиции - на 27%.
Большое влияние на состояние ресурсного потенциала почвы оказывают современные тенденции изменения климата. Под их воздействием происходит определенная географическая миграция климатических зон, а также создаются новые своеобразные комплексы почвенно-климатических условий, что отражается на процессах почвообразования и общей биологической продуктивности почв [10].
Согласно результатам проведенных исследований региональные проявления глобального потепления климата выражаются в последовательном росте температуры воздуха, особенно значительном в холодный период. Это сопровождается увеличением количества осадков, выпадающих в осенне-зимний период, и уменьшением их в основной период вегетации сельскохозяйственных культур. Оценка динамики биоклиматического потенциала черноземных почв Поволжья в условиях наблюдаемого изменения климата свидетельствует о некотором уменьшении ресурсов территории. Особенно это заметно в склоновых агроландшафтах [2, 11].
На территории Саратовской области, отличающейся большим разнообразием почвенно-климатических условий, географический аспект формирования биологической продуктивности различных биоценозов носит определяющий характер [5]. При движении с северо-запада на юго-восток по мере снижения количества выпадающих осадков и биоклиматического потенциала наблюдается уменьшение продуктивности биоценозов на всех
нных ценозов по локальным блокам почвенного
Локальный блок Количество атмосферных осадков, мм Биопродуктивность биоценозов, тыс. зерн. ед./га
целина залежь пашня* средняя
1 476 2,0 1,0 2,24 1,7
2 485 1,5 0,9 1,75 1,4
3 505 2,2 1,8 2,15 2,0
4 498 1,0 1,05 1,47 1,2
5 451 1,8 1,5 1,41 1,6
*в среднем в звене пар - озимая - яровая пшеница
анализируемых элементарных почвенных ареалах независимо от уровня сельскохозяйственного использования пашни (табл. 3).
Результаты длительных стационарных опытов показывают, что определяющее значение для сохранения почвенного плодородия, особенно в эро-зионноопасных агроландшафтах, имеет система природоохранных мер, позволяющая на 70-80% локализовать негативные процессы.
выводы. В условиях современного изменения климата определяющее влияние на ресурсный потенциал черноземных почв Поволжья оказывают процессы эрозии, дегумификации, подкисления и опустынивания почвенного покрова, атакжеуровень их сельскохозяйственного использования.
По данным почвенно-экологического мониторинга наибольшие мощность гумусового слоя (5364 см) и запасы гумуса (427-437 т/га) в почвенном профиле отмечаются на черноземах обыкновенных, самые низкие (44 см и 179 т/га, соответственно) - на черноземе южном.
Почвы черноземной степи в Саратовской области в основном характеризуются средней (31,748,6 мг/кг) обеспеченностью минеральным азотом и достаточно высокой доступным фосфором (12,917,6 мг/кг) и обменным калием (179-289 мг/кг).
Длительное использование сельскохозяйственных угодий привело к четкой дифференциации запасов гумуса. В среднем по пяти блокам мониторинга почвенные профили под полевыми севооборотами потеряли, по сравнению с целинными участками, 54 т/ га (15,6%) гумуса, под залежами - 35 т/га (10,1%). Наиболее интенсивно теряют гумус профили чернозема обыкновенного, а наименьшие потери отмечены на выщелоченных черноземах.
В структуре минерального азота почвы постоянно обрабатываемой пашни преобладает нитратная, а под степными фитоценозами - аммиачная форма. На фоне достаточной обеспеченности доступным фосфором и обменным калием динамика этих элементов менее выражена, чем у минерального азота.
Литература.
1. Иванов А.Л., Кирюшин В.И. Глобальные изменения климата и прогноз рисков в сельском хозяйстве России. М.: Рос-сельхозакадемия, 2009. 518 с.
2. Медведев И. Ф., Левицкая Н. Г. Направленность биосферных процессов и их влияние на продуктивность зерновых культур в агроландшафтах Поволжья //Достижения науки и техники АПК. 2010. №5. С. 17-19.
3. Рожков В.А. Почвы и почвенный покров - свидетели и индикаторы глобальных изменений климата // Почвоведение.
2009. №2. С.134-143.
4. Карпунин Б.Ф., Ущаповский И.В. Адаптивные реакции льна-долгунца на изменение климатических условий в период вегетации // Земледелие. 2015. №6. С. 36-39.
5. Медведев И.Ф., Чуб М.П., Гюрова Э.С. Черноземные почвы Поволжья, их распространение, состав и использование (на примере Саратовской области) // Плодородие черноземов России / Под ред. Н.З. Милащенко/ М.: Агроконсалт, 1998. С. 509-533.
6. Медведев И.Ф., Быстрова С.Н. Почвенный покров Саратовской области и его состояние //сб. науч. тр. «Рациональное использование почв Саратовской области». Саратов: Изд-во НПО «Элита Поволжья», 1987. С.4-18.
7. Состояние кислотности почв Республики Татарстан/П.А. Чекмарев, А.А. Лукманов, С.Ш. Нуриев, Р.Р. Гайров//Достижения науки и техники АПК. 2013. № 12. С. 8-11.
8. Чекмарев П.А., Лукин С.В., Четверикова Н. С. Динамика кислотности черноземов в Белгородской области//Земледелие.
2010. № 8. С. 11-13.
9. Мониторинг кислотности пахотных почв Центрально-Черноземного района / П.А. Чекмарев, С.В. Лукин, Ю.И. Сискевич,
H.П. Юмашев, В.И. Корчагин, А.Н. Хижняков //Достижения науки и техники АПК. 2011. № 7. С. 6-8.
10. Роль залежных и полевых ценозов в формировании плодородия почв / И.Ф. Медведев, Л.Б. Сайфуллина, И.И. Ели-стратова, М.Н. Панасов//Вестник СГАУим. Н.И. Вавилова. 2009, №1. С. 22-27.
11. Иванова Г.Ф., Левицкая Н.Г., Орлова И.А. Оценка современного состояния агроклиматических ресурсов Саратовской области // Известия Саратовского университета. 2013. Т.13. №2. С. 10-12.
ENVIRONMENTAL ASSESSMENT OF THE MODERN RESOuRCE POTENTIAL OF CHERNOZEM SOILS OF THE VOLGA REGION
I.F. Medvedev, N.G. Levitskaya, I.I. Demakina, M.N. Lubimova
Agricultural Research Institute of South-East Region, ul. Tulaikova, 7, Saratov, 410010, Russian Federation
Summary. The article presents the results of monitoring indicators of the ecological state of soils in stationary experiments of the Institute and blocks of soil monitoring in Saratov region. The research focused on the assessment of natural and anthropogenic transformations of ecological condition of chernozems in the Volga region and their impact on the productivity of ecosystems. Among the negative factors of anthropogenic transformation of the ecological condition of chernozems in the Volga region there are the processes of erosion, dehumification, acidification, etc. Annual losses of humus due to erosion in 1980 were from 4.5 to 5.0 t/ha, and under modern conditions against the background of low-intensity of sheet erosion-up to 1.5 t/ha. The thickness of humus horizon varies from 34 to 64 cm, the reserves of humus in the soil profile ranged from 179 to 437 t/ha, the content of mineral nitrogen-from 23.8 to 48.6 mg/kg, available phosphorus-from 12.9 to 17.6 mg/kg, exchange potassium-from 179 to 289 mg/kg. Soil profiles under field crop rotations and fallows, compared to virgin lands, lost on the average over five units of monitoring, respectively 54 t/ha (15.6%) and 35 t/ha (10,1%) of humus reserves. In eroded chernozems the humus horizon decreases by 20-28%, the availability of mineral nitrogen-1.2-1.6 times. The highest biological productivity of cenosis was observed in leached chernozem under conditions of much precipitation. The modern resource potential of chernozem soils of the Volga region is characterized by changing conditions of moisture provision, the direction of soil-forming processes, medium and low humus content in the soil profile with a tendency to its further decrease, the average availability of mineral nitrogen and sufficiently high supply of available phosphorus and exchangeable potassium.
Keywords: climate change, precipitation, water erosion, relief, humus, mineral nitrogen, available phosphorus, exchange potassium, biocenosis, productivity.
Author Details: I.F. Medvedev, D. Sc. (Agr.), head of department (e-mail: [email protected]); N.G. Levitskaya, Cand. Sc. (Agr.), head of laboratory; I.I. Demakina, Cand. Sc. (Agr.), research fellow; M.N. Lubimova, Cand. Sc. (Agr.), senior research fellow
For citation: Medvedev I .F., Levitskaya N.G., Demakina I.I., Lubimova M.N. Environmental Assessment of the Modern Resource Potential of Chernozem Soils of the Volga Region. Dostizheniya nauki i tekhniki APK. 2015. V.30. No 1. Pp. 14-17 (In Russ.).
