CC BY
46
УДК 631.45:631.6
Э. Н. Шкутов, Л. Н. Лученок, С. Г. Вильтовская, Л. А. Юрко, Т. И. Русак,
Т. И. Олимпиева, Н. А. Савенкова
ОЦЕНКА СВОЙСТВ ТОРФЯНИКОВ БЕЛОРУССКОГО ПОЛЕСЬЯ НА МНОГОВЕКОВОМ ВРЕМЕННОМ ЛАГЕ ОСУШИТЕЛЬНОЙ МЕЛИОРАЦИИ
Представлены данные по оценке водно-физических и биохимических свойств, а также фракционному составу органического вещества и формам почвенного азота торфяных почв на разных стадиях сельскохозяйственного использования для 8 торфяников Белорусского Полесья с возрастом 38-453 года после осушения. Показано, что в процессе сельхозиспользования не происходит полной их деградации. Наиболее активная фаза минерализации органического вещества торфа прекращается ориентировочно после 50 лет использования, а после 200 лет наступает стабилизация биохимических процессов. При правильном и рациональном ведении сельскохозяйственного производства эти земли можно эксплуатировать неопределенно долго, и прогнозы, предсказывавшие в скором времени образование на месте всех срабатывающихся торфяников полупустыни, как минимум, преувеличение.
Ключевые слова: Белорусское Полесье, торфяные и постторфяные почвы, фракционный состав органического вещества, ферментативная активность, фракции почвенного азота.
Введение
В настоящее время важной задачей, обусловливающей экономический успех хозяйственной деятельности на осушенных торфяниках Белорусского Полесья (около 1 млн га) и обоснованности инвестиций в поддержание работоспособности мелиоративных систем, является достоверная оценка почвенных свойств, определяющих плодородие, прогноз динамики и последствий минерализации торфяников на длинном временном лаге осушительной мелиорации.
Опубликовано много прогнозов по последствиям длительного сельскохозяйственного использования и сработки торфяников. И пессимистичные прогнозы, сделанные в 70-80-е гг., по заявленным срокам уже явно не подтвердились. Тем не менее и в последних публикациях имеются аналогичные предсказания с отсрочкой на последующие 20-30 лет; например, прогнозируется возможность формирования на территории Полесской низменности «большой деградированной зоны, внешне похожей на полупустыню, с развеваемыми песками, что фактически будет означать крупную региональную катастрофу» [1].
Такие публикации, безусловно, оказывают существенное влияние на хозяйственные решения людей и ограничение экономически эффективного сельскохозяйственного производства на значительных площадях (в том числе и за счет сокращения видового состава культур). Например, это сказывается на недостаточном финансировании ремонтно-восстановительных работ мелиоративных систем, что приводит к повторному заболачиванию ранее осушенных плодородных угодий и выведению их из сельхозоборота.
Вместе с тем в Беларуси имеются очевидные примеры, указывающие, что не всегда и не везде почвообразовательные процессы на осушенных торфяниках Полесья следуют опубликованным пессимистичным сценариям, что свидетельствует о необоснованности
таких прогнозов, а главное, о необоснованности самоограничений и на остальной площади Полесья.
Методика исследований
Для оценки состояния осушенных торфяников Белорусского Полесья с различной длительностью осушения (подтвержденной документально) было выбрано 8 объектов (рис. 1).
На этих объектах анализировали состояние сельскохозяйственных культур, отбирали почвенные пробы в точках достоверно гарантируемого срока осушения (чаще всего вблизи русла крупных осушительных каналов), но так, чтобы не попадать в возможную зону пескования торфяников в процессе разравнивания кавальеров. В пробах определяли физические, агрохимические и биологические показатели с целью оценить уровень плодородия на каждый срок использования осушенных торфяников.
В отобранных почвенных пробах было определено содержание органического вещества. Ферментативную активность оценивали с помощью инвертазы (класс гидролаз) по методу Т. А. Щербаковой [2] (мг глюкозы/кг почвы за 24 ч) и полифенолоксидазы (класс оксидоредуктаз) - методом Л. А. Карягиной и
Н. А. Михайловской [3] (мг бензохинона/кг почвы за 24 ч). Из водно-физических свойств определяли объемные плотности (ГОСТ 5180, 24586), влагосо-держание (ГОСТ 21123-85) и влажности устойчивого завядания (ВУЗ) согласно требованиям (ГОСТ 28268-89).
Результаты и обсуждение
При оценке плодородия почвенного слоя очень важным является его водоаккумулирующая емкость, которая при отсутствии подпитки корнеобитаемого слоя от капиллярной каймы характеризует возможные запасы почвенной влаги, обеспечивающие жизнедеятельность и продуктивность посевов в засушливые периоды. Для практического определения до-
00
со
сТ
со
8
с
Т
о
оо
_о
сс
8
о
ш
о
т
V
а
<3
00
сч
о
8
т
о
ф
со
ю
3^
т
а
т
£
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500
годы
Рис. 1. Схема размещения исследуемых объектов на временной шкале длительности лага осушительной мелиорации
ступной доли влагозапасов при полной полевой вла-гоемкости необходимо иметь информацию о влажности устойчивого завядания (ВУЗ) [4]. Ранее были проведены исследования по определению этого параметра для торфяных и песчаных почв, а также их механических смесей [4-6]. Для проверки влияния длительности сельскохозяйственного использования осушенных торфяников на величину ВУЗ были проведены лабораторные исследования для почв со всех исследуемых объектов. Анализ опубликованных методик и результатов определения ВУЗ для различных почвенных разновидностей показал, что для нашей задачи наиболее эффективным и надежным является метод проростков [5]. Результаты сравнения, полученные в наших экспериментах с выполненными ранее, приведены на рис. 2.
Зависимость ВУЗ исходных торфяников [7-9] от содержания в почве ОВ удовлетворительно аппроксимируется следующей линейной зависимостью: ВУЗ=1.41ОВ-1.40. На низких значениях содержания
160
100
ОВ в слое 0-20, %
Рис. 2. Сравнение значений ВУЗ, полученных на неиспользовавшихся в сельском хозяйстве торфяниках и современных песчаных и торфяных почвах различного срока сельхозиспользования после осушения (точки без заливки -выбракованные результаты)
ОВ испытывались механические смеси торфа с песком, на высоких значениях ОВ торфяники с различных месторождений. Связь значений ВУЗ с содержанием ОВ в пахотном слое торфяников разных сроков сельскохозяйственного использования удовлетворительно аппроксимируется следующей зависимостью: ВУЗ=78.13(1-ехр(-0.0ЮВ)). Таким образом, по результатам экспериментальных определений воднофизических показателей современных автоморфных и осушенных торфяных почв Полесья с различными сроками сельскохозяйственного использования можно сделать следующие выводы:
* Полученная связь ВУЗ с содержанием ОВ нелинейная, достаточно тесная (коэффициент детерминации Я2=0.77). После 30 лет сельскохозяйственного использования отклонение от ранее полученной связи, по данным [7-9], превышает 10 % и далее, к вековому сроку отклонение достигает 80 %.
* С точки зрения плодородия факт снижения значения ВУЗ безусловно положительный: возрастает доля влаги, доступной растениям, однако его необходимо оценивать с учетом снижения общей влагоем-кости.
* Зависимость ВУЗ от содержания ОВ в почвах, использовавшихся в сельскохозяйственном производстве, показывает, что в процессе трансформации органического вещества в нем, вероятно, появляются компоненты с гидрофобными свойствами. Этот аспект почвообразовательного процесса не может оцениваться однозначно, только с точки зрения водно-физических свойств. Для оценки его влияния на плодородие необходимо привлечение агро- и биохимических показателей.
Не представленные в данной работе результаты определения других водно-физических свойств торфяных почв показали, что непосредственной связи этих параметров со сроком сельскохозяйственного использования не выявляется. Но имеются связи с
содержанием органического вещества, концентрация которого в пахотном горизонте с увеличением срока эксплуатации обычно снижается.
Важнейшей составной частью почвы являются гумусовые вещества, от качественного и количественного состава которых зависит почвенное плодородие [10].
На примере глубокозалежных торфяников было рассмотрено изменение фракционного состава ОВ со временем их сельхозиспользования. Для этого было отобрано два мелиоративных объекта: «молодой» торфяник - ПОСМЗиЛ (30 лет после осушения), второй
- объект «Марьино» (около 80 лет после интенсивного осушения). По содержанию ОВ в торфе эти объекты идентичны (около 87 %). При подборе объектов для сравнения учитывался тот факт, что вариации состава гуминовых кислот торфяников незначительны вследствие однородных условий гумификации.
Соотношение основных составляющих органического вещества групп (сумма гуминовых кислот, сумма фульвокислот и нерастворимый остаток) примерно одинаковое. Однако срок использования влияет на фракционный состав гумусовых веществ. Так, количество гуминовых веществ в водной и в пирофос-фатной фракциях «молодого» торфяника выше по сравнению с объектом «Марьино» в 13 и 1.7 раза соответственно. С возрастом резко возрастает фракция гуминовых веществ в 0.02Н КаОН фракции. Также отмечено, что с возрастом торфяника в водной и пи-рофосфатной вытяжках нарастает количество гуминовых кислот. Данные результаты исследований согласуются с исследованиями Д. С. Орлова [11].
При расшифровке инфракрасных (ИК) спектров гумусовых веществ обнаружено, что в гуминовых кислотах из «молодого» торфяника и после 80 лет сельхозиспользования присутствуют идентичные химические группировки. ИК-спектры, как и фракционный состав гуминовых и фульвокислот, указывают на то, что торфяные почвы по качественным характеристикам химического состава относительно стабильны во времени и пространстве. Безусловно, после осушения и в процессе сельскохозяйственного использования торфяники подвергаются трансформации (как и любая автоморфная минеральная почва), однако полной минерализации органического вещества торфа с абсолютной потерей боковых цепей и концентрацией только ароматических ядер гуминовых кислот с утратой плодородия этими почвами не происходит. Кроме того, отмечено, что с увеличением времени использования торфяников не происходит и накопления битумов. Следовательно, хотя битумы и имеют довольно высокую биохимическую устойчивость, однако при освоении торфяников и их длительном сельхозиспользовании с трансформацией органического вещества претерпевают изменения и они.
Таким образом, из полученных данных можно заключить, что в процессе сельскохозяйственного использования в слое 0-20 см на торфяниках, где не
происходит постоянного припахивания подстилающей породы, идет накопление гуминовых кислот и снижение содержания битумов. При этом доля нерастворимого остатка остается неизменной. Плодородие таких почв после 80-летнего сельскохозяйственного использования (на примере мелиоративного объекта «Марьино болото») остается на высоком уровне.
Кроме фракционного состава органического вещества изучались фракции почвенного азота пахотного горизонта: минерального (нитраты, нитриты и часть необменного аммония), легкогидролизуемого (амиды, часть аминов и необменного аммония), трудногидролизуемого (амиды, часть аминов, необменный аммоний, часть гуминов) и негидролизуемого (большая часть аминов, гумины, меланины, битумы, остаток необменного аммония). Установлены связи между каждой фракцией и содержанием органического вещества:
- для легкогидролизуемого азота (Я2 = 0.73) -N = 0.49ОВ+9.27;
- для трудногидролизуемого азота (Я2 = 0.67) -Кы= 0.8ОВ+2.67;
- для негидролизуемого азота (Я2=0.79) -N = 23.09ОВ+379.83;
иЬ ’
- для валового азота (Я2 = 0.80) -
N = 24.38ОВ+391.76.
При изучении зависимости содержания форм почвенного азота от времени сельхозиспользования установлено, что формы почвенного азота главным образом связаны с ОВ, и вследствие биологических, биохимических и химических процессов их соотношение находится в динамическом равновесии. В результате не наблюдается, например, истощения пост-торфяных почв по доступным для растений формам азота (минерального и легкогидролизуемого) или менее доступного - из трудногидролизуемой фракции. Содержание же в различных фракциях почвенного азота в минеральных зональных почвах, расположенных рядом с исследуемыми мелиоративными объектами, значительно ниже. Следовательно, можно отметить, что даже длительно используемые торфяные почвы гораздо плодороднее смежных минеральных зональных почв.
Информативным показателем оценки плодородия торфяных почв является ферментативная активность. Она зависит от изменения содержания ОВ в посттор-фяных почвах и определяется широким диапазоном степени разложения растительных остатков торфов в зависимости от времени и интенсивности сельскохозяйственного использования осушенных земель. Также в процессе трансформации ОВ изменяется и его качественный состав за счет одновременно идущих процессов минерализации и гумификации. Уровень инвертазной и полифенолоксидазной активностей находится в линейной зависимости от содержания ОВ в слое 0-40 см: А. =15.83ОВ+359.08 и А = 11.143ОВ+499.07 соответственно. р
Установлено, что в процессе сельхозиспользова-ния осушенных торфяных почв их ферментативная активность остается на достаточно высоком уровне и после 450-летней эксплуатации (рис. 3).
Возраст, лет
Возраст, лет
Рис. 3. Активность полифенолоксидазы и инвертазы в торфяных почвах разных сроков использования после осушения
Кроме того, ферментативная активность примыкающих к мелиоративным объектам минеральных зональных почв, значительно ниже по сравнению с по-стторфяными почвами (на рис. 3 активность минеральных почв представлена линиями внизу графиков). Отмечено, что активность полифенолоксидазы и инвертазы в промежутке времени осушения и использования до 200-250 лет снижается, а затем стабилизируется (рис. 3).
Наиболее активная фаза заканчивается после 50100 летнего использования, а после 200 лет использования наступает квазистабильность в почвенных процессах, вероятно, сопровождающаяся в большей степени утилизацией вновь образующегося ОВ, а не ОВ постторфяных почв. При организации сельхоз-
производства свойства постторфяных почв на этой стадии трансформации можно считать практически неизменными и при рациональном подходе (отсутствия припашки подстилающей минеральной породы, оптимальном сочетании органических, макро- и микроудобрений, подборе сельскохозяйственных культур) эти земли можно эффективно использовать в интенсивном растениеводстве неопределенно долго без ограничений видового состава выращиваемых культур.
Выводы
1. Обследование группы объектов с торфяными почвами различного срока осушения показало, что прогнозы, предсказывавшие в скором времени образование на месте всех осушенных торфяников полупустынь, как минимум, преувеличение. Можно реально привести примеры больших областей, где этого не произошло и после 450-летнего осушения, и еще больших площадей со сроками от 100 до 200 лет сельскохозяйственного использования. А вот выявить сколько-нибудь значительные площади в Беларуси, где на месте торфяников образовались песчаные полупустыни, нам не удалось.
2. Ферментативная активность и содержание почвенного азота по фракциям показали, что в процессе сельхозиспользования осушенных торфяных почв обследованных объектов не происходит полной их минерализации. Наиболее активная фаза трансформации органического вещества торфа завершается ориентировочно после 50 лет использования, а после 200 лет практически наступает стабилизация биохимических процессов. Несколько меньшие временные сроки получены по динамике изменения во времени водно-физических свойств торфяных почв [12] и темпов минерализации ОВ [13].
3. При рациональном ведении сельскохозяйственного производства на этих землях возможно неопределенно долгое ведение высокопродуктивного растениеводства. Это предположение подтверждается фактом современной продуктивности постторфяных почв на объектах, осушенных около 450 лет тому назад. Водно-физические, агрохимические и биологические (ферментативная активность) показатели соответствуют уровню высокоплодородных почв. Этот факт говорит о том, что на месте осушенных торфяных почв за исторически обозримое время не происходит формирования бесплодных угодий. Документально доказанных фактов, опровергающих это утверждение, авторам получить не удалось.
Список литературы
1. Бамбалов Н. Н., Ракович В. А. Роль болот в биосфере. Минск, 2005. 285 с.
2. Хазиев Ф.Х. Методы почвенной энзимологии. М., 1990. 189 с.
3. Галстян А. Ш. Ферментативная активность почв Армении. Ереван, 1974. 260 с.
4. Методические указания по определению водно-физических свойств почвогрунтов мелиорируемых земель. Минск, 1973. 83 с.
5. Долгов С. И. Исследование подвижности почвенной влаги и ее доступности для растений. М.-Л., 1948. 208 с.
6. Зайдельман Ф. Р, Виноградов В. Г. // Почвоведение. 1960. № 7. С. 37-42.
7. Лундин К. П. Водные свойства торфяной залежи. Минск, 1964. 210 с.
8. Францессон В. А. // Советская агрономия. 1951. № 7. С. 12-15.
9. Пятецкий Г. Е. // Почвоведение. 1976. № 3. С. 59-64.
10. Дречина Л. В., Швейдель Л. Я. // Лабораторное моделирование процесса разложения торфа. Минск, 1980. С. 21-43.
11. Орлов Д. С. Химия почв: Учеб. М., 1992. С. 212-213.
12. Зубец В. М. // Почвоведение. 1981. № 4. С. 79-85.
13. Аладко С. В. и др. // Мелиорация переувлажненных земель. 2005. № 2(54). С. 94-99.
