CC BY
61
УДК631.472.56: 631.445.4
оценка энергетического потенциала гумуса длительно орошаемой лугово-черноземной почвы
Ю.В. АКСЕНОВА, кандидат биологических наук, доцент (e-mail: [email protected])
Омский государственный аграрный университет, Институтская пл., 2, Омск, 644008, Российская Федерация
Резюме. Проведена оценка уровня плодородия длительно орошаемой (более 30 лет) лугово-черноземной почвы через энергетические характеристики ее органического вещества. С этой целью были рассчитаны запасы энергии, аккумулированные в гумусе, его лабильных гумусовых кислотах и органическом веществе почвы. В период с 2002 по 2013 гг. на участке выращивали овощные культуры и многолетних трав. На обследованной пашне орошаемого массива выделены слабо-гумусированные, малогумусные и среднегумусные разновидности исследуемой лугово-черноземной почвы. При орошении под многолетними травами содержание валового гумуса достигало 6,56-5,15 %, уровень энергопотенциала органического вещества и энергоемкости почвы составлял соответственно 3352-2698 гДж/га и 1676-1349Дж/см3. В лабильных гумусовых кислотах аккумулирована одна из доступных форм энергии, значительная ее часть сосредоточена в лабильной фракции гуминовых кислот. В почве под покровом многолетних трав запасы энергии в этой фракции составляли около 200-111 гДж/га, во фракции лабильных фульвокислот - около 171-148 гДж/га. После длительного выращивания овощных культур количество валового гумуса и запасы энергии в разных компонентах почвенного органического вещества были ниже. В малогумус-ных разновидностях почвы содержание гумуса варьировало от 4,4 до 5,58 %, энергетический потенциал органического вещества - от 2467 до 1945 гДж/га, уровень энергоемкости почвы - от 1208 до 953 Дж/см3. Наибольшие запасы энергии в лабильных гуминовых кислотах достигали 222 гДж/га, в лабильных фульвокислотах - 151 гДж/га. Самые низкие величины этих показателей характерны для слабогумусированных разновидностей почвы. Содержание гумуса в них установлено на уровне 3,76-4,07 %, энергопотенциал - 1790-1659 гДж/ га, энергоемкость - 881-814 Дж/см3, в лабильных гумусовых кислотах сосредоточено до 85-151 гДж/га энергии. Ключевые слова: энергопотенциал гумуса, энергоемкость почвы, запасы энергии, орошение, лабильные гумусовые соединения.
Для цитирования: Аксенова Ю.В. Оценка энергетического потенциала гумуса длительно орошаемой лугово-черноземной почвы //Достижения науки и техники АПК. 2017. Т. 31. № 4. С. 32-35.
Развивая учение В.И. Вернадского о биосфере В.А. Ковда выделял особую роль почвенного покрова, как универсального земного аккумулятора и экономного распределителя энергии, связанной в гумусе, активно участвующего в сложных процессах ее обмена и превращения. Основным источником энергии служит органическое вещество, с которым в почву ежегодно поступает от 4106 до 26-106 ккал/га (или 16,8-109 гДж/га) энергии, представляющей собой солнечную энергию, трансформированную фотосинтезом и аккумулированную в виде химической энергии органических соединений. Непосредственно в почвенном гумусе аккумулируется до 2-106-10-106 ккал/га (или 8,4-42 гДж/га) энергии в год [1].
Общие размеры аккумулированной в почве энергии складываются из ее запасов, сосредоточенных в органических и минеральных веществах почвы, почвенном растворе, почвенном воздухе и живом органическом веществе, развивающемся на этой почве. Запасы по-
тенциальной энергии, заключенные в органическом веществе и его отдельных компонентах, служат основой для существования растений, животных, микроорганизмов, населяющих почву. Они потребляют эту энергию в процессе жизнедеятельности. Кроме того, ее запасы расходуются при физическом и химическом выветривании, на ежегодную продукцию биомассы, суммарное испарение, процессы миграции мелкозема и солей в почве, теплообмен в системе почва - атмосфера, воспроизводство почвенного плодородия [1, 2].
При этом степень доступности энергии органического вещества для потребления определяется прочностью его связи с минеральной частью почвы и тем количеством энергии, которое требуется для разрушения такой связи [2]. Легкодоступна энергия негумифицированного органического вещества почвы, которая может использоваться при первой же потребности. Энергия, сосредоточенная в лабильных гумусовых соединениях и микробной массе, характеризуется средней степенью доступности, но также может вовлекаться в оборот по мере ее необходимости. Наиболее прочно связана и труднодоступна энергия, аккумулированная в инертном гумусе.
Количество энергии, заключенное в инертном гумусе, лабильных гумусовых веществах, микробной биомассе и негумифицированном органическом веществе характеризует аккумулятивную энергетическую функцию органического вещества и выражается через его энергетический потенциал (энергопотенциал) [2].
Лугово-черноземные почвы в Омской области занимают 1600 тыс. га [3, 4] и вместе с черноземами составляют ее основной пахотный фонд. Из-за формирования в зонах недостаточного увлажнения их часто вводят в орошаемое земледелие с целью повышения урожайности сельскохозяйственных культур, что приводит к развитию ряда негативных процессов, в связи с чем требуется постоянный контроль уровня плодородия таких почв.
Оценку энергетического потенциала органического вещества и отдельных его компонентов, показателей энергетического состояния почв агроладшафтов можно использовать для определения их энергетического баланса, уровня и направленности воспроизводства плодородия [2, 5, 6].
Цель исследования - оценить уровень плодородия длительно орошаемой лугово-черноземной почвы через энергетический потенциал гумуса и запасы энергии, аккумулированные в его лабильных компонентах.
В задачи исследования входила оценка запасов энергии, аккумулированной в лабильных фракциях гуминовых и фульвокислот и энергетического потенциала гумуса почвы, находящейся на орошении более 30 лет.
Условия, материалы и методы. Объект исследования расположен в южной части лесостепной зоны Омской области в пределах второй надпойменной террасы левобережья реки Иртыш на территории Новоомской оросительной системы (ОС). Это одна из крупных оросительных систем области, построенная в 1968 г. по проекту института «Омскгипросельхозстрой».
Таблица. Запасы энергии в гумусе и его лабильных соединениях (2002 г.)
Слой, см
Гумус, %
С
Содержание по С, мг/кг
ЛГК ЛФК
ЛГВ
Количество энергии, гДж/га
ЛГК | ЛФК | ЛГВ | гумуса
Лугово-черноземная маломощная среднегумусная тяжелосуглинистая почва
под многолетними травами
0-20 6,56 3,81 2600 2500 5100 200 171 371 3352 20-40 5,15 2,99 1500 2150 3650 111 148 259 2698 Лугово-черноземная маломощная малогумусная тяжелосуглинистая почва
под овощными культурами
0-20 5,80 3,36 1150 1550 2700 75 90 165 2511 20-40 4,60 2,67 700 1550 2250 43 88 131 1992
ЛГК - лабильные гуминовые кислоты; ЛФК -гумусовые вещества почвы.
лабильные фульвокислоты; ЛГВ - лабильные
При первичном почвенном обследовании территории, проведенном в 1951 г. Омской землеустроительной экспедицией, почвы были выделены в черноземный тип. В 1968 г. по результатам почвенно-эрозионного обследования, черноземы выделяли локально, на повышениях, а основу почвенного покрова составили лугово-черноземные почвы. Уровень грунтовых вод находился на глубине 5-6 м.
Территория характеризуется слабой дренирован-ностью, так как сложена тяжелыми суглинками, подстилаемыми водоупорными глинами, часто засоленными и карбонатными. Грунтовые воды, преимущественно минерализованные, залегают близко к поверхности [3, 4].
По данным ФГБУ «Управление «Омскмелиоводхоз» в 2013 г. в структуре посевных площадей исследуемой территории под зерновые культуры было отведено 1,56 тыс. га, под овощные - 5 тыс. га, под кормовые -1,75 тыс. га, прочие культуры занимали 0,36 тыс. га. Фактическая площадь сельскохозяйственных угодий, обслуживаемая ОС, составляла 8,66 тыс. га, из которых орошалось 0,375 тыс. га [7]. Полив проводили водами реки Иртыш гидрокарбонатного кальциевого химического состава.
Почва современного исследуемого орошаемого массива - лугово-черноземная среднемощная малогу-мусная тяжелосуглинистая, залегающая в комплексе со среднегумусной и слабогумусированной ее видами.
В 2002 г. исследования проводили на территории, отведенной под овощные культуры и многолетние травы, в 2009-2013 гг. - на участках, занятых овощными культурами. Отбор почвенных образцов осуществляли послойно: 0-20 и 20-40 см.
Для определения влияния длительного орошения (более 30 лет) на запасы энергии в органическом веществе почвы было проанализировано состояние аналогичной лугово-черноземной почвы, находящейся в условиях богарного земледелия и отведенной под зернотравяной севооборот.
При проведении исследования определяли следующие показатели:
содержание валового гумуса - по методу И.В. Тюрина в модификации В.Н. Симакова;
содержание лабильных гумусовых кислот (извлечение 0,1 н NaOH) - по методу И.В. Тюрина в модификации В.В. Пономаревой и Т.А. Плотниковой; плотность почвы - по Качинскому; расчет запасов энергии в гумусе и лабильных гумусовых веществах, а также уровня энергоемкости почвы - по методике, разработанной ВНИИ земледелия и защиты почв от эрозии.
результаты и обсуждение. По результатам обследования 2002 г., проведенного на двух орошаемых участках, выделены среднегумусная почва под многолетними травами и малогумусная - под овощными
культурами (см. табл.). Наибольшее количество энергии (до 3352-2698 гДж/га) аккумулировал гумус почвы под многолетними травами, в почве, отведенной под овощные культуры, ее запасы были ниже на 841706 гДж/га.
Запасы энергии, сосредоточенные в лабильных гумусовых компонентах почвенного органического вещества находятся в прямой зависимости от их количества. Многолетние травы, будучи источником пополнения почвы «свежим» органическим веществом в виде растительных остатков, способствуют накоплению в составе почвенного гумуса лабильных соединений (до 5100-3650 мг/кг почвы), аккумулирующих до 371-259 гДж/га энергии, из них 200-111 гДж/га сосредоточено в лабильных фракциях гуминовых кислот (ЛГК) и 171-148 гДж/га - в лабильных фракциях фульвокислот (ЛФК). При возделывании овощных культур, формирующих и поставляющих в почву незначительное количество растительной биомассы, содержание лабильных гумусовых веществ (ЛГВ) в составе гумуса ниже на 24001400 мг/кг, аккумулированной в них энергии - в 2 раза, а энергии в составе ЛГК и ЛФК - на 125-68 и 81 -60 гДж/га соответственно.
Энергетический потенциал органического вещества почвы на орошаемом участке под многолетними травами (кострецом) в слое 0-20 см достигал 3593 гДж/га, в слое 20-40 см - 2881 гДж/га, под овощными культурами величина этого показателя снижалась до 2574 и 2034 гДж/га соответственно. Энергоемкость почвы участков обследуемой территории в слое 0-20 см варьировала в диапазоне 1676-1256 Дж/см3, в слое 20-40 см - 1349-996 Дж/см3.
К 2009 г. большая часть посевных площадей исследуемого орошаемого массива была выведена из пашни в залежь, вследствие развития процесса засоления, и сегодня находится в деградированном состоянии.
Обследование другой части Новоомской ОС, используемой под возделывание овощных культур, проведенное в 2009 г., показало, что количество гумуса в почве на этой территории варьировало от 4,86-5,38 % в слое 0-20 см до 4,50-5,58 % в слое 20-40 см. Однако был выделен участок со слабогумусированной почвой с содержанием гумуса 3,93 и 4,02 % соответственно. Уровень энергоемкости почвы исследуемой территории в слое 0-20 см составлял 1165-1036 Дж/см3, в слое 20-40 см - 1208-975 Дж/см3, энергетический потенциал гумуса варьировал от 2070 до 2416 гДж/га. Из фракций лабильных гумусовых соединений в составе гумуса преобладали ЛГК, содержание которых превышало количество ЛФК на 800-1400 мг/кг и находилось в диапазоне 3400-2100 мг/кг почвы, запасы аккумулированной в них потенциально-активной энергии составляли 222-128 гДж/га (см. рисунок).
Энергоемкость слабогумусированной почвы снижалась до 851-871 Дж/см3, запасы энергии в гумусе - до 1702-1741 гДж/га. В составе его лабильных соединений уменьшалось как количество ЛГК (в среднем на 1000 мг/кг), так и энергии, аккумулированной в них. На ЛФК в составе гумуса малогумусной и слабогумусированной видов почвы приходилось от 1100 до 2000 мг/кг, но содержащаяся в них энергия не превышала 100 гДж/га.
X
2 м _
о Я
0
N
X ^ 3 Ü
1 s SO
48 if ^
м Q
ü * a s
2009 год
s
ч
ф
о о
X 2 ш О
о
X ^
3 л
i s
GÛ О
Ц х
* s
a s
s
ч
ф
о о
300 250 200 150 100 50 0
3500
3000
2500
2000
1500
Г 000
500
0
0-20
20-40
0-20
богара среднегумусная почва
20-40 0-20 20-40 малогумусная почва участок 1
0-20
20-40
0-20
20-40
орошение, более 30лет 2013 год
участок 2
300 250 200 150 100 50 0
3500
3000
2500
2000
1500
1000
500
0
0-20 20-40 0-20 20-40 0-20 20-40 0-20 20-40 0-20 20-40 0-20 20-40
богара малогумусная слабогуму- малогумусная слабогуму- малогумусная
среднегумусная почва сированная почва сированная почва почва почва почва
участок 1 участок 2 участокЗ орошение, более 30 лет
0)
о >
>
й S
s
a о
л
и № С № СО
малогумусная слабогумусированная почва почва
H ■FC
о
о >
S >
m s s i_
a
ш
л
о re с re M
Рисунок. Запасы энергии в гумусе и его лабильных соединениях:
I - Qлгк;
- Qлфк; -
- Qr.
Энергопотенциал органического вещества малогу-мусной разновидности почвы исследуемого орошаемого массива варьировал от 2120-2388 гДж/га в слое 0-20 см до 1990-2467 гДж/га в слое 20-40 см. В слабогумуси-рованной почве величина этого показателя находилась в пределах 1778 и 1745 гДж/га соответственно.
Обследование, проведено на этом же орошаемом массиве в 2013 г., показало, что содержание гумуса в почве исследуемой территории, по сравнению с 2009 г., существенно не изменилось и варьировало от 4,954,43 % в слое 0-20 см до 4,92-4,40 % в слое 20-40 см, его энергетический потенциал был невысоким и составлял 2143-1918 и 2130-1905 гДж/га соответственно. Уровень энергоемкости почвы находился в диапазоне 1072-953 Дж/см3. В лабильных гумусовых соединениях до 1900-2200 мг/кг почвы приходилось на долю ЛГК и до 2400-2600 мг/кг - на ЛФК, в этих фракциях было аккумулировано до 130-151 гДж/га энергии.
В выделенных слабогумусированных видах почвы с содержанием гумуса от 3,79-3,98 до 4,07-3,76 %, энергоемкость снижалась до 881-814 Дж/см3, ко-
личество энергии, аккумулированной в гумусе, - до 1762-1641 гДж/га, в его лабильных соединениях было сосредоточено до 85-151 гДж/га энергии. Энергетический потенциал органического вещества менялся от 1966-2197 гДж/га в слое 0-20 см малогумусной почвы до 1682-1766 гДж/га в слабогумусированной. В слое 20-40 см величина этого показателя варьировала от 1945-2175 до 1659-1799 гДж/га соответственно.
Содержание валового гумуса в лугово-черноземной почве на богаре было выше, чем в орошаемой, и менялось от 6,54 % в слое 0-20 до 5,4 % в слое 20-40 см, его энергетический потенциал варьировал от 3116 до 2573 гДж/га, уровень энергоемкости почвы - от 1558 до 1286 Дж/см3 соответственно. Величины этих показателей были в среднем в 1,5 раза больше, чем в слабогумусированной почве, и превышали таковые в малогумусной разновидности на 600-1000 гДж/га. В лабильной фракции гуминовых кислот было сосредоточено от 265 до 144 гДж/га энергии, в ЛФК - от 166 до 94 гДж/га. Энергопотенциал органического вещества богарной почвы был выше, чем у орошаемой, и
составлял 3339 гДж/га в слое 0-20 см и 2744 гДж/га в слое 20-40 см.
Если оценивать показатели энергетического состояния по шкалам, разработанным во ВНИИЗиЗПЭ для почв Центральной Черноземной зоны, то уровень энергопотенциала органического вещества исследуемой почвы, как на богаре, так и при орошении, даже при наличии многолетних трав в севообороте можно оценить, как критический. При этом следует отметить, что сибирские черноземы, в отличие от европейских аналогов, изначально характеризуются невысоким потенциальным плодородием, которое определяют специфические условия их формирования - резко континентальный климат, суровая зима, продолжительное и глубокое промерзание, укороченный вегетационный период, более низкое количество тепла и осадков. Это способствует развитию преимущественно маломощных и малогумусных почв черноземного ряда [3, 4, 8], которые тем не менее остаются наиболее ценными пахотными почвами в Омской области, составляющими основную базу производства высококачественного зерна. Поэтому для оценки показателей энергетического состояния почв Сибири должна быть разработана своя шкала, с учетом региональных особенностей их формирования и в частности, для орошаемых почв, которые находятся в иных гидротермических условиях, чем богарные. Они испытывают более сильное антропогенное воздействие, быстро трансформируются под влиянием дополнительно поступающей влаги, что сопровождается снижением уровня плодородия и энергоемкости, а также энергопотенциала органического вещества.
выводы. Лугово-черноземная почва, находящаяся в условиях регулярного многолетнего орошения (более 30 лет) имеет небольшие запасы энергии в составе гумуса и органического вещества в целом. Уровень энергопотенциала ее органического вещества и энергоемкость увеличиваются в ряду слабогумусированная - мало-гумусная - среднегумусная почва. Величины этих показателей меняются и в зависимости от возделываемой культуры. При продолжительном использовании почвы под овощные культуры, поставляющие незначительное количество пожнивно-корневых остатков, которые служат источником «свежего» органического вещества, запасы энергии, аккумулированные в гумусе и его лабильных компонентах, малы. Рост величин этих показателей наблюдается при возделывании многолетних трав, одновременно увеличивается и количество энергии, аккумулированной во фракции лабильных гуминовых кислот. Многолетние травы формируют значительные объемы растительной биомассы, которая, поступая в почву в виде пожнивно-корневых остатков, пополняет ее «свежим» растительным материалом, увеличивая не только содержание гумуса и входящих в его состав гумусовых кислот, но и запасы энергии в них. Таким образом, в зависимости от возделываемых культур энергопотенциал органического вещества и энергоемкость почвы возрастает в ряду овощные культуры -многолетние травы. Для повышения запасов энергии в гумусе, его лабильных компонентах и органическом веществе в целом необходимо повышать поступление органического вещества в почву, в том числе путем введения в севообороты многолетних трав.
Литература.
1. Ковда В.А. Основы учения о почвах: в 2-х кн. М.: Изд-во «Наука», 1973. Кн.1. 448 с.
2. Научные основы и методы оценки энергетического состояния почв в агроландшафтах /Н.П. Масютенко, В.В. Шеховцо-ва, А.И. Шеховцов, Е.В. Леонтьева. Курск: Всероссийский научно-исследовательский институт земледелия и защиты почв от эрозии Россельхозакадемии, 2004. 60 с.
3. Мищенко Л.Н., Прудникова В.М. Особенности почвенного покрова Омской области / Почвы Западной Сибири и повышение их плодородия. Омск: Изд-во Омского СХИ, 1984. С. 3-12.
4. Параметры плодородия пахотных почв земель сельскохозяйственного назначения Омской области: монография / И.А. Бобренко, Я.Р. Рейнгард, Ю.В. Аксенова, О.В. Нежевляк. Омск: Литера, 2016. 108 с.
5. Фузелла Т.Ш. Оценка энергопотенциала гумуса почв Томской области/Энергетика: Экология, надежность, безопасность: материалы XVI Всероссийской научно-технической конференции. Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2010. С. 188-190.
6. Иванова Т.Н., Багаутдинов Ф.Я., Асылбаев И.Г. Изменение содержания и состава гумуса черноземов выщелоченных(luvic chernozems) южной лесостепи Республики Башкортостан при сельскохозяйственном использовании//Вестник Башкирского государственного аграрного университета. 2015. № 1 (33) . С. 19-23.
7. Показатели по оценке и учету мелиоративного состояния орошаемых сельскохозяйственных угодий и технического состояния оросительных систем (2013) [Электронный ресурс]. URL: http://mcx-dm.ru/gts/4269?report=tek¤t_id=4275 (дата обращения: 4.02.2017).
8. Мищенко Л.Н. Почвы Омской области и их сельскохозяйственное использование: учеб. пособие. Омск: ОмСХИ, 1991. 164 с.
ASSESSMENT OF ENERGY POTENTIAL OF HuMuS OF LONG IRRIGATED MEADOW-CHERNOZEM SOIL
Yu. V. Aksenova
Omsk State Agrarian University, Institutskaya pl., 2, Omsk, 644008, Russian Federation
Abstract. An assessment of fertility level of long irrigated (more than 30 years) meadow-chernozem soil through was carried out through power characteristics of its organic matter. With this purpose in mind the reserves of energy, accumulated in humus, its labile humic acids and organic matter of soil, were calculated. During the period from 2002 to 2013, the territory was used for cultivation of vegetable cultures and perennial grasses. On the surveyed arable land of the irrigated plot slightly humic, low-humic and medium-humic kinds of the studied meadow-chernozem soil were selected. At irrigation the content of total humus under perennial grasses reached 5.15-6.56 %; the level of the power potential of organic matter and power consumption of the soil amounted 2698-3352 GJ/ha and 1349-1676-J/cm3, respectively. One of the available forms of energy is accumulated in labile humus acids; its considerable part is concentrated in the labile fraction of humic acids. In the soil under the cover of perennial grasses the reserve of energy in this fraction was about 111-200 GJ/ha, in the fraction of labile fulvic acids - about 148-171 GJ/ha. On sites of the arable land, where vegetable cultures were grown for a long time, the quantity of total humus and reserves of energy were lower in different components of organic matter. In low-humic soils the content of humus varied from 4.4 to 5.58 %, the energy potential of organic matter - from 1945 to 2467 GJ/ha, the level of power consumption of the soil was in the range of 953-1208 J/cm3. The maximal reserves of energy in labile humic acids reached 222 GJ/ha, in labile fulvic acids - 151 GJ/ha. The minimum values of these indices are characteristic for slightly humic soils. The content of humus in them was on the level of 3.76-4.07 %, power potential - 1659-1790 GJ/ha, power consumption -to 814-881 J/cm3; in labile humus acids it is concentrated up to 85-151 GJ/ha of energy.
Keywords: humus power potential, power consumption of soil, reserves of energy, irrigation, labile humic compounds. Author Details: Yu. V. Aksenova, Cand. Sc. (Biol.), assoc. proff. (e-mail: [email protected]).
For citation: Aksenova Yu. V. Assessment of Energy Potential of Humus of Long Irrigated Meadow-Chernozem Soil. Dostizheniya nauki i tekhnikiAPK. 2017. Vol. 31. No. 4. Pp. 32-35 (in Russ.).
