CC BY
17
УДК 631.6:502.65 DOI 10.24411/0235-2516-2019-10037
ОЦЕНКА ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО РЕСУРСА ДЕГРАДИРОВАННЫХ ПОЧВ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ УГОДИЙ
1Л.В. Кирейчева, д.т.н., 2О.Б. Хохлова, д.с.-х.н.
1ВНИИГиМим. А.Н. Костякова, e-mail: kireychevalw@mail.ru 2Ярославский государственный медицинский университет, e-mail: obxoxlova@mail.ru
Рассмотрены процессы деградации зональных почв европейской части России и обоснованы основные агрохимические показатели, определяющие степень деградации. Для оценки энергетического состояния почвы в зависимости от степени деградации предложена методика определения биоэнергетического потенциала почвы, основанная на биогенной энергии, которая рассчитывается через количество АТФ, синтезированное клеткой при полном биологическом окислении органического вещества до углекислого газа и воды, исходя из его элементного состава на основе стехиометрии, закономерностей процессов биологического окисления и термодинамических законов. Зная содержание элементного углерода, водорода и кислорода в органическом веществе, можно рассчитать количество биогенной энергии, извлекаемой клеткой в процессе полного биологического окисления субстрата до углекислого газа. Это позволит без изучения строения и метаболических путей рассчитать биоэнергетическую ценность или биоэнергетический потенциал любого органического соединения, в том числе лабильной части гумуса почвы. Приведен алгоритм восстановления деградированных почв, включающий определение биоэнергетического потенциала гумуса, расчет количества биогенной энергии для восстановления оптимального функционирования деградированных почв. Для восполнения утраченной энергии выполнено обоснование расчетных доз внесения органического удобрения для восстановления энергетического ресурса почвы.
Ключевые слова, почва, деградация, агрохимические показатели, гумус, плодородие, энергетический ресурс, биоэнергетический потенциал, утраченная энергия.
ESTIMATION OF ENERGY RESOURCE OF DEGRADED SOILS OF AGRICULTURAL LANDS
lDr.Sci. L.V. Kireycheva, 2Dr.Sci. O.B. Khokhlova
1ARSRI for Hydraulic Engineering and Reclamation named after A.N. Kostyakov, e-mail: kireychevalw@mail. ru 2Yaroslavl State Medical University, e-mail: obxoxlova@mail.ru
Processes of degradation for the zonal soils of the European part of Russia are considered. The basic agrochem-ical indicators determining the degree of degradation are substantiated. Theoretical approaches to the estimation of the energy status of the soil depending on the degree of degradation are developed, and the method on the soil bio-energy potential estimation being proposed. The latter is calculated using the amount of ATP which is synthesized by the cell in the complete biological oxidation of the organic matter into carbon dioxide and water, based on its elemental composition based on stoichiometry, the laws of biological oxidation and thermodynamic laws. Knowing the content of elemental carbon, hydrogen and oxygen in organic matter, it is possible to calculate the amount of bio-genic energy extracted by the cell in the process of complete biological oxidation of the substrate to carbon dioxide. The above approach gives opportunity to calculate the bioenergy value or bioenergy potential of any organic compound, including the labile part of the soil humus without studying the structure and metabolic pathways. The algorithm of rehabilitation of the degraded soils, including: determination of the bioenergy potential of humus; the calculation of the amount of biogenic energy to restore the optimal functioning of the degraded soils is developed. To replenish the lost energy, the calculated doses of organic fertilizer application were substantiated.
Keywords: soil, degradation, agrochemical parameters, humus, fertility, energy resource, bioenergy potential, lost energy.
В последние десятилетия на сельскохозяйственных угодьях России складывалась ситуация, приводящая к развитию деградационных процессов, основным из которых является потеря органического вещества почвы или дегумификация. Это связано
как с недостаточным внесением органических удобрений, которые служат сырьем для процессов гумификации, так и минеральных удобрений, необходимых для роста и развития сельскохозяйственных растений. С 2006 по 2011 г. из почвы с урожаем вы-
несено 55,8 млн. т питательных веществ, при этом внесено в почву только 25,66 млн. т. Отрицательный баланс питательных веществ за 6 лет составил 30,2 млн. т д.в. [1]. Все это привело к усилению минерализации гумуса. Одновременно с потерей органического вещества происходит изменение водопрочной структуры почвы, снижение внутриагрегатной по-розности и уплотнение почвенного профиля. Все эти процессы снижают энергетический ресурс почвы и приводят к потере ее продуктивности. При восстановлении деградированных почв и доведении их гумусового состояния до оптимального уровня необходимо не только обеспечить почву достаточным количеством органического вещества и минеральных элементов питания растений, но самое главное восстановить энергетическое состояние почвы и создать условия для эволюционного развития. Интегральным показателем деградации почв следует считать такое снижение энергетического состояния почвы, при котором наблюдается изменение основных ее показателей, приводящие к нарушению функционирования и устойчивому снижению продуктивности [2].
Цель исследований - разработка теоретических подходов к оценке энергетической функции почв в зависимости от степени их деградации для обоснования необходимых мероприятий, направленных на восполнение запасов утраченной в процессе деградации энергии.
Методика исследования. Для оценки энергетического состояния почв целесообразно использовать наряду с термодинамическими законами [3] и биоэнергетические закономерности, которые позволяют рассчитать количество энергии органического вещества почвы, используемое почвенными микроорганизмами на работу по минерализации почвенного гумуса. Количество энергии, превращенной организмом в работу, можно рассчитать через количество универсального аккумулятора энергии в биологических системах - аденозинтри-фосфорной кислоты (АТФ), синтезированной организмом за счет энергии полного окисления органического субстрата и используемой организмом для совершения всех типов работы [4].
В основу методики расчета энергетической функции почвы положен следующий подход. Энергия, извлекаемая клеткой из пищевого субстрата в результате биологического окисления, аккумулируется в универсальном энергетическом посреднике -органических фосфатах, прежде всего в аденозин-трифосфорной кислоте (АТФ), а затем используется на все биологические процессы, требующие затрат энергии. При энергетической оценке органического вещества почвы учитывается биогенная энергия, которую рассчитывают через количество АТФ, синтезированное клеткой при полном биологическом окислении органического вещества до углекислого
газа и воды. При синтезе клеткой концевых макро-эргических связей в одном моле АТФ аккумулируется 30,5 кДж/моль энергии [5]. Таким образом, рассчитав количество АТФ, образованное в результате полного биологического окисления органического вещества (пищевого субстрата клетки), можно рассчитать биогенную энергию органического вещества. Сложность данного подхода состоит в том, что при расчете количества АТФ требуется знание строения органических веществ для определения их метаболических процессов. Предлагаемая методика позволяет рассчитать биогенную энергию (биоэнергетический потенциал) любого органического вещества, исходя из его элементного состава на основе стехиометрии, закономерностей процессов биологического окисления и термодинамических законов [6]. При этом количество биогенной энергии органического субстрата определяется стехиометриче-ским соотношением трех элементов: углерода, водорода и кислорода. Процессы окисления - снятие электронов с субстрата, сопровождаются в биологических объектах снятием водорода, переносчика электронов в составе эквивалентов, количество водорода в органическом соединении определяется количеством и валентными возможностями углерода и кислорода. Известно, что перенос двух электронов и двух протонов (2е, 2Н+) с субстрата в процессе биологического окисления, обеспечивает синтез до трех молекулы АТФ [5]. Но в процессе окисления участвуют не только протоны Н+ биологического субстрата, но и протоны Н+, полученные из воды, которая служит донором кислорода при биологическом окислении. Весь элементный кислород воды и биологического субстрата используется на образование углекислого газа (СО2). Количество углекислого газа определяется содержанием элементного углерода в органическом субстрате. Таким образом, по количеству углекислого газа можно рассчитать количество воды, а значит и водорода, который идет на биологическое окисление данного субстрата. Следовательно, зная содержание элементного углерода, водорода и кислорода в субстрате, можно рассчитать количество воды, необходимое для его полного окисления, и на этой основе рассчитать количество биогенной энергии, извлекаемой клеткой в процессе полного биологического окисления субстрата до углекислого газа. Это позволяет без изучения строения и метаболических путей рассчитать биоэнергетическую ценность или биоэнергетический потенциал (БЭП) любого органического соединения.
При известном элементном составе органического соединения, количество БЭП можно рассчитать по следующей стехиометрической формуле:
БЭП = 183С + 45,75Н - 91,5О (кДж/моль), где: С, Н и О - атомные доли или индексы элементов углерода, водорода и кислорода в молекуле органического субстрата.
Или, если известны массовые доли элементов в органическом веществе:
БЭП = (15,25С + 45,75Н - 5,718750) / (С + Н + О) (кДж/г),
где: С, Н, О - массовые доли элементов углерода, водорода и кислорода в веществе, % [4].
Для данной энергии целесообразно использовать термин «биоэнергетический потенциал» органического вещества - наибольшее количество энергии, которое можно превратить в работу через биологические системы. Именно этот показатель определяет актуальную энергетическую функцию конкретной почвы.
Объект исследований - зональные почвы европейской части России. На основе анализа многочисленных литературных источников установлены оп-
тимальные значения агрохимических показателей, определяющие продуктивность почвы, а также их значения, соответствующие слабой, средней и сильной степени деградации (табл. 1). Оптимальным принято считать такие значения агрохимических показателей почвы, при которых обеспечивается планируемый урожай при условии максимальной эффективности использования вносимых удобрений и применяемых агротехнических мероприятий. Оптимальное содержание гумуса в почве обеспечивает благоприятные для растений водно-физические свойства почвы, высокую буферность и емкость катионного обмена, устойчивый пищевой режим. Степень деградации почвы в условиях сельскохозяйственного производства оценивается по ее продуктивности.
1. Осредненные значения агрохимических показателей зонально-провинциальных почв в оп-
тимальном состоянии и при различной степени деградации (по литературным источникам [7-14]
Показатель Содержание/значение Содержание/значение при степени деградации
максимальное оптимальное слабой средней сильной
Дерново-подзолистая суглинистая почва
рИка >6,0 5,8 5,6-5,8 5,4-5,5 4,8-5,4
Гумус, % >3,3 3,0-3,3 2,0 1,5 1,0
а, г/см3 1,25 1,25-1,32 1,4-1,45 1,45-1,5 1,5-1,55
N03 + ЫИ4, мг/кг 65 50 20 10 5
Р205, мг/кг 150-200 100-150 50-100 25-50 <25
К20, мг/кг 250 170-250 120-170 80-120 40-80
Сгк/фк >1,0 0,6-0,8 0,5 0,4 0,3
Серая лесная тяжелосуглинистая почва
рИка >6,0 5,0-5,9 4,5-5,0 4,0-4,5 4,0
Гумус, % >3,5 3,0-3,5 2,5 2,0 1,5
а, г/см3 1,2 1,2-1,25 1,3-1,35 1,35-1,4 1,4-1,45
N03 + NH4, мг/кг >100 80-100 60-80 40-60 20-40
Р205, мг/кг 300 200 150 100 75-80
К20, мг/кг 300 200 150 100 70
Сгк/фк >1,5 1,3-1,5 1,2-1,3 1,0-1,2 <1,0
Чернозем выщелоченный тяжелосуглинистый
рИка 6,8 6,5-6,8 6,8-7,0 7,0-7,2 7,4
Гумус, % 6,5 6,0-7,0 5,5-6,0 4,5-5,5 4,0-4,5
а, г/см3 1,1 1,1-1,2 1,25 1,3 1,35
N03 + N94, мг/кг >100 80-100 60-80 40-60 20-40
Р205, мг/кг 200 150-200 100-150 75-100 50
К20, мг/кг >130 90-120 50-80 40 20
Сгк/фк 2,0 1,5-2,0 1,3-1,5 1,2-1,3 1,1-1,2
Чернозем выщелоченный легкосуглинистый
рИка 6,8 6,5-6,8 6,8-7,0 7,0-7,2 7,4
Гумус, % 5,5 4,0-4,5 3,5-4,0 3,0-3,5 2,5-3,0
а, г/см3 1,1 1,1-1,2 1,25 1,3 1,35
N03 + N94, мг/кг >80 65-80 50-65 35-50 20-35
Р205, мг/кг >150 100-150 80-100 70-80 40
К20, мг/кг >100 80-100 40-60 30 15
Сгк/фк 2,0 1,5-2,0 1,3-1,5 1,2-1,3 1,1-1,2
Чернозем типичный тяжелосуглинистый
рИка 7,0 6,8-7,0 7,0-7,2 7,2-7,4 7,6
Гумус, % >10 7-10 6,5-8 6,0-7,0 5,5-6,0
а, г/см3 1,1 1,1-1,2 1,2-1,25 1,25-1,35 1,35
N03 + Ж4, мг/кг >100 80-100 60-80 45-60 35-45
Р205, мг/кг >200 200 140-150 100-120 <80
к20, мг/кг >130 130 120 100 <80
Сгк/фк >2,5 1,9-2,5 1,7-1,9 1,5-1,7 <1,5
Чернозем типичный легкосуглинистый
рИка 7,0 6,8-7,0 7,0-7,2 7,2-7,4 7,6
Гумус, % >9 7,0-9,0 6,0-7,0 5,5-6,0 4,5-5,5
а, г/см3 1,1 1,1-1,2 1,2-1,25 1,25-1,3 1,35
N03 + ЫИ4, мг/кг >90 70-90 55-70 40-55 30-40
Р205, мг/кг >160 160 120-140 80-110 <70
К20, мг/кг >130 130 120 100 <80
Сгк/фк >2,5 1,9-2,5 1,7-1,9 1,5-1,7 <1,5
Чернозем обыкновенный тяжелосуглинистый
рИка 8,0 8,0 8,1-8,2 8,2-8,3 8,3-8,5
Гумус, % 8,0 6,0-7,0 5,5-6,0 5,0-5,5 5,0
а, г/см3 1,0 1,0-1,2 1,2-1,25 1,25-1,3 1,3
N03 + NH4, мг/кг >80 70 60-70 40-50 30-40
Р205, мг/кг >150 150 120-130 80-100 <80
К20, мг/кг >110 110 100 90 <80
Сгк/фк 2,3 1,95-2,1 1,85-1,95 1,75-1,85 1,7-1,75
Чернозем обыкновенный легкосуглинистый
рИка 8,0 8,0 8,1-8,2 8,2-8,3 8,3-8,5
Гумус, % 7,0 5,6-6,0 5,1-5,5 4,5-5,0 4,2-4,5
а, г/см3 1,0 1,0-1,2 1,2-1,25 1,25-1,3 1,3
N03 + N94, мг/кг >70 60-70 50-60 35-50 25-35
Р205, мг/кг >130 110-130 90-110 75-90 <70
К20, мг/кг >95 85-95 75-85 65-75 <65
Сгк/фк 2,3 1,95-2,1 1,85-1,95 1,75-1,85 1,7-1,75
Чернозем южный тяжелосуглинистый
рИка 7,4 7,2-7,4 7,4-7,5 7,5-7,6 7,6-7,7
Гумус, % 5,0 4,5-5,0 3,5-4,5 3,0-3,5 2,5-3,0
а, г/см3 1,2 1,2-1,25 1,25-1,3 1,3-1,35 1,35
N03 + N94, мг/кг 70 60 50-60 40-45 30-35
Р205, мг/кг >120 100 85-95 75-85 65-75
К20, мг/кг >100 100 90 80 70
Сгк/фк 1,6 1,55-1,6 1,5-1,55 1,45-1,5 1,4-1,45
Чернозем южный легкосуглинистый
рИка 7,4 7,2-7,4 7,4-7,5 7,5-7,6 7,6-7,7
Гумус, % 4,5 3,8-4,5 3,0-3,8 2,4-3,0 2,0-2,4
а, г/см3 1,2 1,2-1,25 1,25-1,3 1,3-1,35 1,35
N03 + Ш4, мг/кг 60 50-60 42-50 34-40 28-34
Р205, мг/кг >100 85 72-85 64-72 55-64
к20, мг/кг >90 90 80 70 60
Сгк/фк 1,6 1,55-1,6 1,5-1,55 1,45-1,5 1,4-1,45
Каштановая почва тяжелосуглинистая
рНнго 7,5 7,5 7,3-7,4 7,2-7,3 7,1-7,2
Гумус, % >4,0 3,7-4,0 3,4-3,5 3,0-3,1 2,5-2,7
а, г/см3 1,2 1,2-1,3 1,3-1,35 1,35-1.35 1,35-1,4
N03 + Ш4, мг/кг >40 40 30-40 20-30 10-20
Р205, мг/кг >60 50 40-50 30-40 10-20
к20, мг/кг 600 400-600 300-400 200-300 100-200
Сгк/фк >1,0 1,0 0,9-1,0 0,8-0,9 0,7-0,8
Светло-каштановая почва
рНн2О 7,5 7,5 7,6-7,8 7,8-8,0 8,0-8,2
Гумус, % >2,5 2,0-2,5 1,5-2,0 1,0-1,5 0,5-1,0
а, г/см3 1,2 1,2-1,3 1,3-1,4 1,4-1,5 >1,5
N03 + Ш4, мг/кг >40 30-40 20-30 10-20 <10
Р205, мг/кг >50 40-45 30-40 20-30 10-20
к20, мг/кг 500 350-500 250-300 150-250 100-150
Сгк/фк >1,0 1,0 0,8-1,0 0,6-0,8 0,5-0,6
Бурые пустынно-степные почвы
рНн2О 7,5 7,5 7,6-7,8 7,8-8,0 8,0-8,2
Гумус, % >2,0 1,0-1,5 0,7-1,0 0,3-0,7 0,3-0,5
а, г/см3 1,3 1,3-1,4 1,40-1,45 1,45-1,5 >1,5
N03 + Ш4, мг/кг >20 15-20 10-15 5-10 <5
Р205, мг/кг >30 25-30 20-25 15-20 <10
к20, мг/кг >300 220-300 150-220 100-150 <100
Сгк/фк >1,0 1,0 0,8-1,0 0,6-0,8 0,5-0,6
Алгоритм выполнения расчетов включал определение биоэнергетического потенциала лабильной части гумуса, расчет количества биогенной энергии для зональных почв при оптимальном содержании гумуса и при слабой, средней и сильной степени деградации почвы, а также обоснование количества утраченной почвой энергии. Для доведения энергетического ресурса деградированных почв до оптимального состояния определено необходимое количество внесения органического вещества, позволяющего компенсировать утраченную почвой энергию.
Результаты. Анализ таблицы 1 показал, что, несмотря на общую тенденцию снижения запасов гумуса и ухудшения агрохимических показателей, почвы по-разному реагируют на проявление дегра-дационных процессов. Наибольшие изменения агрохимических показателей наблюдается в дерново-подзолистых и светло-каштановых почвах. В них происходит значительное (на 70-80%) снижение запасов гумуса, кроме того наблюдается снижение содержания питательных элементов, в частности азота - на 90-75%, фосфора - на 84-80% и калия -на 62-80%. Одновременно в дерново-подзолистых почвах происходит снижение рИ с 6,0 до 4,6, то есть развивается процесс окисления почвы, а в светло-каштановых почвах, наоборот, наблюдается процесс ощелачивания, рИ повышается с 7,5 до 8,2. Меньше всего подвержены процессам деградации почвы черноземного типа: снижение содержания гумуса в черноземе обыкновенном составляет 30%, в черноземах выщелоченном и типичном - 45%, в черноземе южном - 50%. Практически во всех типах черноземов происходит значительное (до 75%) снижение содержания азота, а снижение содержания калия составляет лишь 28-30%. Исключением является чернозем выщелоченный, в нем наблюдается резкое снижение содержания всех питательных веществ, а именно азота на 75%, фосфора на 73%, калия на 85%. Наиболее развиты процессы
ощелачивания в черноземе выщелоченном, значение рИ увеличивается от 6,5 до 7,4. Наблюдается изменение соотношения гуминовых и фульвокис-лот в почвенном гумусе: у дерново-подзолистых почв в 3 раза, светло-каштановых и бурых пустынно-степных в 2 раза, у серых лесных в 1,5 раза. Для черноземов характерны следующие изменения: у выщелоченного - в 1,8 раза, типичного - в 1,6, обыкновенного - в 1,4, южного - в 1,1 раз, что свидетельствует о трансформации органического вещества почвы. Также следует отметить, что процессу деградации сопутствуют единые для всех типов почв процессы, влияющие на физические свойства, в частности, их уплотнение.
С использованием предложенной методики были рассчитаны биоэнергетические потенциалы лабильной части гумуса основных типов почв европейской части России. Из таблицы 2 следует, что потеря 1 т гумуса для разных типов почв соответствует потере различного количества биогенной энергии от 3,95 ГДж/т для дерново-подзолистых почв до 5,8 ГДж/т для черноземов. Следовательно, даже при равных вещественных потерях гумуса в процессе деградации почвы теряют разное количество энергии, и это следует учитывать при их восстановлении.
2. Биоэнергетический потенциал лабильной части почвенного гумуса различных типов почв (по данным Д.С. Орлова [15, 16])
Тип почвы Тип Доля БЭП фрак-
гумуса фракци- ционируе-
Сгк/Сфк онируе- мой части
мого гумуса,
гумуса, кДж/г или
% ГДж/т
Дерново -подзолистые 0,6-0,8 50 3,95
Серые лесные 1,0-1,1 70 5,64
Черноземы 1,5-2,5 70 5,80
Каштановые 1,5 60 4,95
Бурые полупустынные 0,8-1,0 60 4,80
3. Биоэнергетический потенциал зональных почв при их оптимальном состоянии и разной степени деградации в слое 0-20 см
Тип почвы БЭП при опти- БЭП при слабой БЭП при средней БЭП при сильной
мальном состоянии степени дегра- степени деграда- степени деграда-
почвы, ГДж/га дации, ГДж/га ции ГДж/га ции, ГДж/га
Дерново-подзолистые 338,9 229,1/32 177,8/47 122,5/64
Серые лесные тяжелосуглинистые 493,5 380,7/23 315,8/36 245,3/50
Черноземы выщелоченные тяжело- 974,4 870,0/11 829,4/15 704,7/28
и легкосуглинистые
Черноземы типичные тяжело- 1299,2 1160,0/11 1097,2/15 939,6/28
и легкосуглинистые
Черноземы обыкновенные тяжело- 1116,0 980,0/12 829,4/26 754,0/32
и легкосуглинистые
Черноземы южные тяжело- 725,0 642,1/11 548,1/24 469,8/35
и легкосуглинистые
Каштановые почвы тяжелосуглинистые 534,6 454,4/15 414,3/23 374,2/30
Бурые пустынно-степные почвы 201,6 139,2/31 100,8/50 72/64
Примечание: в числителе БЭП в ГДж/га, в знаменателе - снижение БЭП в % по сравнению с оптимальным значением.
4. Дозы компоста на основе навоза крупного рогатого скота
Тип почвы Доза внесения компоста на основе навоза крупного рогатого скота
(в расчете на 60% влажность):
от сильной до средней от средней до слабой от слабой степени де- Всего, т/га
степени деградации, т/га степени деградации, т/га градации до оптимального состояния, т/га
Дерново-подзолистые 30,0 27,0 57,5 114,5
Серые лесные 37,0 34,0 59,0 130,0
Черноземы выщелоченные 65,4 21,3 54,7 141,4
Черноземы типичные 82,6 33,0 73,0 188,6
Черноземы обыкновенные 39,5 79,1 71,3 189,9
Черноземы южные 41,0 49,3 43,5 133,8
Каштановые 21,4 21,0 42,2 84,6
Бурые пустынно-степные 15,1 20,1 32,7 67,9
Зная процентное содержание гумуса и объемный вес для каждой степени деградации, можно определить количество гумуса в почвенном слое толщиной 20 см на 1 га площади и биоэнергетический потенциал в ГДж/га при оптимальном состоянии почвы, а также при слабой, средней и сильной степени их деградации.
Из таблицы 3 следует, что наиболее устойчивы к процессам деградации почвы черноземного типа: при слабой степени деградации потери биоэнергии составляют 11%, при этом у дерново-подзолистых почв она составляет 32%, у бурых полупустынных -31%. Благодаря значительному запасу гумуса, хорошо выраженной буферной системе и высокоорганизованной структуре наименьшее количество энергии при деградации теряют черноземы типичные и обыкновенные: 11% при слабой степени; 15-24% -при средней и до 35% при сильной степени деградации. Следует заметить, что при сравнительно малых в процентном содержании потерях количественные энергетические потери у почв черноземного типа достаточно велики и сопоставимы с потерями у дерново-подзолистых, серых лесных и бурых полупустынных почв. Утраченная энергия при сильной степени деградации у дерново-подзолистых почв составляет 216 ГДж/га, серых лесных 248, типичных черноземов до 360 ГДж/га. Это свидетельствует о том, что затраты энергии на восстановление черноземных почв будут более значительны. Из таблицы 3 также следует, что затраты энергии на восстановление различных типов почв будут разные, что связано с типом гумуса: соотношение гуминовых и фульвокислот. Так, для дерново-подзолистых почв наиболее энергоемким будет переход от слабой степени деградации до оптимального состояния по гумусу: потребуется 109,8 ГДж/га, а для перехода от сильной к средней всего 55 ГДж/га. Для типичных черноземов наибольшие затраты энергии потребуются для перехода от сильной до средней степени деградации - 157,6 ГДж/га, а дальнейшим эволюционирующим процессам будут способствовать высокая буферность и хорошая структурная организация. Поэтому для восстановления от слабой степени де-
градации до оптимального состояния потребуется 139,2 ГДж/га. Таким образом, в черноземах аккумулированная биогенная энергия находится в более «защищенном» состоянии и существенно теряется только при высоком уровне деградации в отличие от дерново-подзолистых почв, где незначительный уровень деградации приводит к значительной потере биогенной энергии.
В таблице 4 представлены дозы внесения органического удобрения - компоста на основе навоза крупного рогатого скота, в котором содержится до 60% органического вещества и биоэнергетический потенциал сухого вещества составляет 4,77 ГДж/т. Расчеты показали, что в процессе деградации теряется значительное количество энергии практически для всех типов зональных почв, из которых самыми уязвимыми являются почвы черноземного типа, для восстановления которых при сильной степени деградации потребуется внести почти 200 т/га органических удобрений. Причем даже при слабой степени деградации потребуется внести от 40 до 70 т/га.
При восстановлении деградированных почв необходимо не только восполнить дефицит органического углерода и питательных элементов, но самое главное восстановить энергетическую функцию и обеспечить эволюционное развитие почвы. Учитывая, что гумусообразование относится к гетерогенным процессам и зависит от величины удельной поверхности или гранулометрического состава, то для воспроизводства почвенного плодородия необходимо создание прочной структуры почвы с минеральными матрицами глинистой фракции, что позволит повысить влагоемкость почвы и будет способствовать закреплению биогенных элементов. Важнейшая роль принадлежит органическому материалу как источнику потенциальной энергии. При подборе органического вещества необходимо учитывать показатель кислотности, оптимальное значение которого составляет 6,5-7,5, так как при большей кислотности теряется часть гуминовых веществ и угнетается полезная микрофлора, в более щелочной среде часть фосфора переходит в недоступные для растения формы. Для трансформации
органических веществ в гумусовые вещества требуется активизация микробиологических процессов. А это требует разработки специальных орга-номинеральных удобрений, обладающими всеми вышеперечисленными свойствами [17, 18].
Вывод. Актуальность исследования заключается в формировании нового теоретического подхода к оценке энергетической функции почвы, обеспечивающей ее плодородие и устойчивость при антропогенном воздействии. В этой связи данные исследования направлены1 на вышвление и раскрыпие причин потери биоэнергетического потенциала почвой вследствие ухудшения основных агрохимтических свойств и снижения запасов гумуса для зональных почв европейской части России. Ведущим подходом к решению поставленной задачи стала разработка методики определения биоэнергетического потенциала органического вещества почвы, что позволяет рассчитать биогенную энергию (биоэнергетический потенциал) любого органического вещества, исходя из его элементного состава на основе стехиометрии, закономерностей процессов биологического
окисления и термодинамических законов. Наиболее подверженыг деградации дерново-подзолистые и серы/е лесные почвы, уже при слабой степени деградации коэффициент энергетического ресурса снижаются в 2 раза, а при средней степени деградации они практически теряют свою продуктивность. Более устойчивые к процессам деградации почвы1 черноземного типа благодаря значительному запасу гумуса, хорошо выраженной буферной системыы1 и высокоорганизованной структуры/. В зависимости от степени деградации почв обоснованы1 энергетические затраы1 для их восстановления. Наибольшие затраты энергии требуются для восстановления дерново-подзолистых почв и выщелоченных черноземов от 364,85до 449,29 Гдж/га. Для восполнения утраченного плодородия рассчитаны1 дозы1 внесения органического удобрения.
Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ и Администрации Волгоградской области в рамках научного проекта № 18-416342004 р_мк.
Литература
1. Доклад о состоянии и использовании земель сельскохозяйственного назначения в 2015 году. - М.: Министерство сельского хозяйства Российской Федерации, 2017. - 198 с.
2. Кирейчева Л.В., Лентяева Е.А. Восстановление антропогенно-деградированных почв земель сельскохозяйственного назначения // Агрохимический вестник, 2016, № 5. - С. 2-6.
3. Масютенко Н.П., Панкова Т.И. Энергетические функции органического вещества черноземов // Земледелие, 2004, № 3. - С. 11-12.
4. Хохлова О.Б. Повышение плодородия малопродуктивных и деградированных почв удобрительно-мелиорирующими смесями на основе сапропелей: дисс. д.с.-х.н. - М.: ВНИИГиМ им. А.Н. Костякова, 2007. - 302 с.
5. Лененджер А. Основы биохимии, т. 2. - М.: Мир, 1985. - 368 с.
6. Хохлова О.Б., Кузнецова Е.Д., Сапожникова Н.Г. Методика расчета энергетической ценности питательных сред на основе стехиометрических закономерностей процесса биологического окисления // Альманах клинической медицины, 2017, № 45(2). - С. 159-162.
7. Егоров В.В., Фридланд В.М. и др. Классификация и диагностика почв СССР. - М.: Колос, 1977. - 233 с.
8. Зайдельман Ф.Р. Гидрологический фактор антропогенной деградации почв и меры ее предупреждения // Почвоведение, 2000, № 10. - С. 1272-1284.
9. Козловский Ф.И. Теория и методы изучения почвенного покрова. - М.: ГЕОС, 2003. - 535 с.
10. Королев В.А. Физические свойства антропогенно преобразованных черноземов / Проблемы антропогенного почвообразования. - М.: Почвенный институт им. В.В. Докучаева, 1997, Т. 2. - С. 166-169.
11. Литвинович А.В. Деградация хорошо окультуренных почв гумидных и аридных регионов. LAMBERT Academic Publishing, 2011. - 278 с.
12. Панкова Е.И., Новикова А.Ф. Деградационные процессы на сельскохозяйственных землях России // Почвоведение, 2000, № 3. - С. 366-379.
13. Фрид А.С., Кузнецова И.В., Королев И.Е. и др. Зонально-провинциальные нормативы изменений агрохимических, физико-химических и физических показателей основных пахотных почв европейской территории России при антропогенных воз действиях. - М.: Почвенный институт им. В.В. Докучаева, 2010. - 176 с.
14. Хитров Н.Б. Деградация почвы и почвенного покрова: понятия и подходы к получению оценок // Антропогенная деградация почвенного покрова и меры ее предупреждения. Тез. докл. Всерос. конф. - М.: Почвенный институт им. В.В. Докучаева РАСХН, 1998, Том 1. - С. 20-26.
15. Орлов Д.С. Химия почв. - М.: Издательство МГУ, 1985. - 376 с.
16. Орлов Д.С., Бирюкова О.Н., Суханова Н.И. Органическое вещество почв Российской Федерации. - М.: Наука, 1996. - 254 с.
17. Кирейчева Л.В., Хохлова О.Б. Повышение плодородия почв на основе внесения сапропелей // Вестник российской сельскохозяйственной науки, 2005, № 5. - С. 37-39.
18. Кирейчева Л.В., Яшин В.М. Эффективность применения органоминеральных удобрений на основе сапропеля // Агрохимический вестник, 2015, № 2. - С. 37-40.
