CC BY
89
сельскохозяйственных земель на основе мер специальных региональных программ бюджетной поддержки сельхозтоваропроизводителей [2].
В связи с этим для дальнейшего повышения эффективности использования мелиорированных земель необходимо создание и развитие в отрасли мелиорации и водного хозяйства АПК соответствующей нормативно-правовой, нормативно-методической, научной и материально-технической базы, развитой инфраструктуры, социально-экономических условий и устойчивого финансирования, а также привлечения трудовых ресурсов высокой квалификации.
Литература
1. Доклад о состоянии и использовании земель сельскохозяйственного назначения в РФ. - МСХ, 2012г.
2. Эпштейн Д.Б., Никифорова Е.О. Недостатки существующих региональных программ развития сельского хозяйства. // Никоновские чтения. 2011. № 16. С. 328-330.
Ключевые слова: мелиорированные земли, использование земель. Key words: reclaimed land, land use.
УДК-631.6
А.И. Осипов
ПЕРСПЕКТИВЫ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ПО ХИМИЧЕСКОЙ МЕЛИОРАЦИИ ПОЧВ9
ФГБНУАгрофизический научно-исследовательский институт,
aosipov2006@mail. ru
Использование химических мелиорантов и минеральных удобрений с соблюдением нормативов и технологий применения оказывает положительное влияние на плодородие почв, урожайность и качество возделываемых культур и не приводит к загрязнению окружающей среды. Многолетний опыт и практика земледелия свидетельствуют о постоянном подкислении и обеднении кальцием и магнием сельскохозяйственных угодий. Это происходит как за счет
9 A. I. Osipov Prospects of scientific researches on chemical melioration of soils.
выщелачивания, вымывания щелочноземельных элементов за пределы корнеобитаемого слоя с нисходящими токами воды, так и в результате выноса этих элементов с урожаем. Процесс подкисления усиливается за счет выпадения «кислых» дождей и в результате применения ряда удобрений, в первую очередь азотных. Данный процесс охватывает не только агроэкосистемы, но и леса, водные источники. В свою очередь реакция почвенной среды оказывает определяющее влияние на подвижность большинства химических соединений, почвенные биохимические и микробиологические процессы, а через них на поступление элементов питания в растения. Для устойчивого и экологически безопасного развития сельского и лесного хозяйства необходимо прогнозировать долгосрочную динамику физико-химических почвенных условий, включая почвенную кислотность. Уже в античное время люди пытались воздействовать на состав почвенного поглощающего комплекса, внося на кислых почвах мергель, гажу и известняки. Оптимальные параметры почвенной среды для различных сельскохозяйственных культур были определены опытным путем, а затем они получили научное объяснение. Однако, как состав ППК, так и связанные с ним физико-химические почвенные параметры имеют четко выраженную динамичность, которая определяется в первую очередь, складывающимися климатическими условиями. При этом, в условиях гумидного климата активно идут процессы выщелачивания почвенного профиля, насыщения ППК ионами водорода и алюминия, развивается асидизация. В условиях аридного климата достаточно часто имеет место подток минерализованных почвенных растворов к поверхности, насыщение ППК натрием, развитие засоления. Известкование кислых почв является одним из наиболее действенных и хорошо известных приемов снижения транслокации тяжелых металлов в растения и уменьшения их фитотоксичности. Эффект, достигаемый этим приемом, зависит от множества факторов, связанных с особенностями почвы, выращиваемой культуры, сопутствующих удобрений, а также от вида химического мелиоранта, его активности, дозы, химического состава и от свойств тяжелых металлов.
Необходимо отметить, что нейтрализация кислых почв, загрязненных элементами, обладающими амфотерными свойствами, может привести к негативным результатам, так как с изменением валентности металла-поллютанта возможно резкое возрастание его токсичности. Примером может
служить хром, который в кислой среде имеет валентность три и не проявляет токсичности, а в щелочной среде, переходя в шестивалентное состояние, повышает свою токсичность в сотни раз.
Наблюдаются случаи, когда известкование усиливает поступление тяжелого металла в один вид растений и в тоже время препятствует его транслокации в другой, растущий с первым на одной и той же почве. Подобное явление наблюдалось в наших экспериментах с кадмием при известковании загрязненных почв мелиорантами с разной химической активностью при выращивании пшеницы и ячменя. По всей вероятности, оно связано со способностью злаковых, при определенном уровне кислотности почвы, повышать фитосидерофорную активность, выражающуюся в усилении образования в ризосфере растений комплексных соединений кадмия с мугеиновой и дезоксимугеиновой кислотами. Необходимо отметить, что при этом существенно возрастает подвижность кадмия в водной среде и его поступление в растения, что сопровождается ухудшением гигиенического качества растениеводческой продукции [1,2].
Мелиоранты, используемые для известкования кислых почв могут содержать в своем составе до двух щелочноземельных элементов, которые определяют их нейтрализующую способность - кальций и магний в виде разных химических соединений: карбонатов, силикатов, оксидов или гидрооксидов. Соотношение концентраций кальция и магния в них может колебаться в значительных пределах.
Известно, что физиологические и биохимические роли этих элементов в растении неоднозначны. Если кальций рассматривается в основном как структурный элемент, принимающий активное участие в формировании клеточных стенок в соединении с протопектином, а также нейтрализует щавелевую кислоту и обеспечивает ионное равновесие, как катион, ослабляющий токсическое действие ионов алюминия, марганца, железа и других тяжелых металлов, то роль магния в растении существенно многообразнее. По своему значению в организме магний можно отнести к функциональным элементам. Он входит в состав хлорофилла, фитина, пектина и других органических соединений, является "спутником" фосфора и влияет на обмен углеводов и органических кислот. Кроме того кальций и магний принадлежат к числу элементов необходимых для формирования урожаев возделываемых культур. Так зерновые ежегодно отчуждают из почвы 20-40кг
СаО, горох, вика, лен - 40-60 кг, картофель, сахарная свекла, кукуруза - 60-120 кг, клевер, люцерна, подсолнечник 120-250 кг, а капуста - 300-500 кг. Поэтому на неизвесткованных почвах происходит их постепенное дальнейшее подкисление и увеличение содержания фитотоксичных элементов. По данным Небольсина А.Н. и Небольсиной З.П. [3,4] в среднем за 1 год величина подвижных форм алюминия возрастает на 1.2%, марганца - на 2.1%, а железа -на 2.4%. Авторы считают, что известкование существенно изменяет свойства почвенного поглощающего комплекса почв. Под влиянием извести достоверно увеличивалась емкость поглощения почв и это увеличение сохраняется многие годы.
Нами, в результате научных исследований, сформулировано понятие «Асидизация» [5]. Это совокупность процессов и явлений в природной среде с промывным типом водным режимом, связанных с выщелачиванием верхних почвенных горизонтов, их подкислением и последующими за этим изменениями физико-химических, биологических и агрохимических свойств почв, а также продуктивности и состава растительных сообществ, физиологии и биохимии живых организмов и человека. Асидизация включает в себя два одновременно идущих процесса протонирование и потерю щелочноземельных элементов. В почву из окружающей среды может поступать избыточное количество протонов в результате нижеперечисленных процессов:
- Поступающие в атмосферу в результате индустриальной деятельности окислы азота и серы вступая в реакцию с дождевыми осадками, образуют азотную и серную кислоту. Кислые атмосферные осадки с рН 4 могут привести к потере 15 килограммов кальция с одного гектара.
- Микроорганизмы и корневые системы растений в процессе своего дыхания постоянно выделяют углекислый газ, который растворяясь в почвенном растворе, образует угольную кислоту. Так, при содержании 10% углекислого газа в почвенном растворе, его рН составляет 4,4 ед.
- Процесс нитрификации, проходящий в почве, образует до 200-300 килограммов азотной кислоты на гектар за сезон.
- Выделение окислов серы с образованием серной кислоты.
- Выделение органических кислот (яблочная, уксусная и т.д.) корнями растений и микроорганизмами.
Поступающие в почвенный раствор протоны активно вступают в обменные реакции с ионами кальция и магния, адсорбированными почвенным
поглощающим комплексом. В результате данного процесса они переходят в почвенный раствор и поглощаются растениями или теряются с нисходящим водным потоком за пределы пахотного слоя почвы. Деятельность человека оказывает значительное воздействие на физико-химическое состояние почв, выступая мощным источником добавочных протонов и подкисления. Необходимо выделять следующие основные антропогенные процессы способствующие асидизации:
- Сбор и отчуждение с урожаем полевых культур. Вынос кальция и магния составляет для средних урожаев зерновых культур от 30-40кг на гектар, для овощных до 300-500кг. В отчуждаемом урожае превышение количества катионов над анионами может составлять 1,4-4,5 кмоль/га.
- Применение минеральных удобрений, многие из которых подкисляют почвенную среду. Потери кальция при использовании минеральных удобрений в пересчете на окись кальция составляют 0,5кг на 1кг №К на суглинистой почве, 1кг - на супесчаной и 1,5кг - на песчаной, а на окись магния соответственно 0,15; 0,3 и 0,45кг.
В соответствии с вышеперечисленными процессами мы создали математическую модель, включающую ГИС технологию, для описания явления Асидизации в регионе. Программа позволит прогнозировать изменение реакции почвенной среды и запаса щелочноземельных элементов в сельскохозяйственных угодьях, в зависимости от складывающихся метеорологических условий, поступления подкисляющих веществ и реализуемых сельскохозяйственных технологий. Для устойчивого и экологически безопасного развития сельского и лесного хозяйства необходимо прогнозировать долгосрочную динамику почвенной реакции, сопутствующих свойств почвы и правильно управлять ею. Однако свойства кислых почв настолько различны, что при использовании традиционных подходов расчета доз извести по величине рН, гранулометрическому составу и содержанию гумуса приходится сталкиваться как с высокой эффективностью известкования, так и с низкой, из-за недоучета отдельных факторов. нами разработана усовершенствованная система расчета доз извести для Северо-Западного региона учитывающая не только указанные параметры, но и фитотоксичность почв, обусловленную подвижностью алюминия, марганца, железа, фтора и других тяжелых металлов, а также поведение элементов в системе почва-растение. Большое внимание в данной системе расчета уделяется типу
увлажнения почв, содержанию подвижного фосфора, типу севооборота. Очень важно знать природу кислотности, чем она обусловлена. Так, например, на торфяных почвах культурные растения прекрасно развиваются при рН-4,5, так как кислотность здесь обусловлена ионами водорода. На избыточно увлажненных, глеевых почвах кислотность обусловлена присутствием в ППК ионов железа и марганца, поэтому на этих почвах доза извести рассчитывается до рН-6,5,так как только при этом значении кислотности токсичность кислотности снижается. При расчетах учитываются требования основных культур в севообороте. Устанавливаются дозы извести и очередность известкования, готовится сметная документация на известкование. При использовании нового метода потребности в извести, в среднем, снижаются на 15-20%, уменьшаются потери кальция, условия почвенной среды становятся максимально благоприятными для возделываемых культур[6,7,8]. Известкование, устраняя излишнюю кислотность, оказывает многостороннее действие на свойства почв. Кальций и магний, внесенный с известью коагулирует почвенные коллойды, улучшая структуру почв, повышая тем самым ее водопрочность. Активизируется деятельность полезной бактериальной микрофлоры, особенно азотфиксирующих и нитрифицирующих бактерий, что в итоге усиливает азотное питание растений за счет усвоения атмосферного азота. Повышается активность фосфатмобилизующих бактерий способствующих переводу труднодоступных почвенных соединений фосфора в усвояемые формы.
Хорошо известно, что скорость взаимодействия известковых удобрений с почвой и продолжительность их действия в сильной степени зависит от химических свойств извести и ее гранулометрического состава. С увеличением диаметра известковых частиц взаимодействие их с почвой замедляется. Поэтому для того, чтобы уровень реакции почвы поддерживался относительно постоянным в течение продолжительного времени, известковые материалы должны содержать широкий спектр частиц различного размера. Изменение почвенной реакции в большей мере зависит от дозы внесения извести и буферных свойств почвы, которые определяются содержанием органических и минеральных коллоидов. Чтобы сдвинуть реакцию в легких почвах, требуется значительно меньше извести, чем в тяжелых. На темпы подкисления известкованных почв существенно влияет химический состав известковых удобрений. Наиболее сильное действие на почву, в первые годы после
внесения, оказывает гажа, где кальций представлен в карбонатной форме. Однако подкисление почвы, произвесткованной гажой, происходит быстрее, чем при использовании других видов известковых удобрений. Доломитовая мука действует на почву сначала слабее, но на 7-8 год эффективность ее выравнивается с гажой и в последующие годы ее действие на почву отчетливо сильнее. Сланцевая зола и цементная пыль содержат в своем составе как весьма активные соединения кальция и магния (оксиды), так и слаборастворимые (силикаты). По продолжительности действия на почву цементная пыль уступает гаже и доломитовой муке [9].
Многочисленными исследованиями установлено, что быстрая потеря продуктивности почв наблюдается при попадании в них различного рода поллютантов, в том числе нефтяных углеводородов. Ежегодное мировое загрязнение окружающей среды нефтью и нефтепродуктами составляет порядка 50 млн. тонн, а в России по причине нефтезагрязнения нуждается в очистке около 800 тыс. га почв.
Подкисление почв и антропогенное их загрязнение нарушают сложившееся экологическое равновесие, ухудшают социальные условия жизни людей и наносят огромный экономический ущерб, поскольку такие почвы в зависимости от степени их деградации полностью или частично перестают выполнять природно-хозяйственные функции и могут инициировать процессы деструкции земной поверхности и природно-климатических условий. Таким образом, становится очевидным неотложность и необходимость эффективного и рационального решения проблем ликвидации негативных последствий природно-антропогенного изменения почв.
В настоящее время хорошо известна важная роль микроорганизмов в восстановлении и повышении почвенного плодородия. На различных почвах урожаи растений тем выше, чем лучше в них развита деятельность микрофлоры, способной превращать органические вещества почвы - перегной -в простые соединения, доступные для усвоения их растениями. Некоторые микроорганизмы могут снижать фитотоксичность тяжелых металлов, поэтому внесение в почву препаратов на их основе позволит сократить дозу извести и повысить эффективность известкования. Это тоже перспективное направление исследований в области химической мелиорации почв [10,11].
В кислых почвах данная группа микроорганизмов развита очень слабо, что и является одной из основных причин низких урожаев
сельскохозяйственных культур. Поэтому, применение биопрепаратов на их основе в комплексе с химическими мелиорантами выведет на качественно новый уровень решение проблемы известкования кислых почв, которая позволит: 1) разработать новую схему биохимической мелиорации кислых почв; 2) снизить уровень внесения доз извести и минеральных удобрений; 3) повысить урожайность сельскохозяйственных культур и их устойчивость к воздействию солей тяжелых металлов; 4) уменьшить техногенную нагрузку на почву; 5) успешно решить целый ряд экологических проблем, связанных с антропогенной деятельностью.
Повысить обеспеченность земледелия известковыми удобрениями с меньшими затратами можно за счет более широкого использования местных карбонатных материалов, применение которых для химической мелиорации известно давно и доказано практическим и научным опытом стран мира. Другим, весьма важным и довольно дешевым источником пополнения запасов природных известковых материалов являются отходы промышленности, использование которых для известкования кислых почв позволяет решить две актуальные задачи:
- реутилизацию и вторичное использование отходов, что также сократит площади земель используемых для их складирования;
- обеспечение сельскохозяйственные предприятия дешевыми известковыми материалами, территориально расположенными вблизи от потребителя.
К настоящему времени нами изучено более двадцати известьсодержащих отхода промышленности и имеются рекомендации по их экологически безопасному применению [12,13]. В результате исследований установлено положительное влияние данных мелиорантов на урожайность сельскохозяйственных культур. Они активно нейтрализуют кислотность почв и улучшают их агрохимические свойства. Итогом выполненных исследований стали разработанные технические требования и проекты технических условий на использование конкретных отходов в качестве химических мелиорантов. В вегетационных опытах нами изучалась динамика содержания различных форм хрома стронция и фтора в почвах при известковании феррохромовым шлаком (ФХШ) и конверсионным мелом (КМ) и их поступление в растения. Установлено, что при использовании КМ в почвах происходит накопление валовых, обменных и водорастворимых форм стронция. Причем, чем выше доза внесения отхода и продолжительнее срок его взаимодействия с почвой, тем больше доступных соединений стронция обнаруживается в ней. На
поступление стронция в полевые культуры существенное влияние оказывают дозы внесения мелиоранта и окультуренность почв. Так, растение рапса, выращенные на почве с низким содержанием гумуса, накопили стронция в 22,9, а вика - в 1,1-1,5 раза больше, чем на высоко гумусированных почвах. Кальций - стронциевое отношение во всех вариантах опыта с применением конверсионного мела было неблагоприятным. Концентрация воднорастворимого фтора изменяется незначительно. Внесение ФХШ увеличивает содержание валового хрома в почве, однако повышение подвижного хрома в почве и накопление его в растениях в опыте не обнаружено [1].
Особую тревогу вызывает состояние почвы в антропогенных ландшафтах. Рекогносцировочные агроэкологические обследования сельскохозяйственных угодий, расположенных в непосредственной близости от основных автомобильных трасс, вблизи больших городов и промышленных предприятий показали, что существуют локальные техногенные загрязнения на площадях, где выращивается продукция, предназначенная для питания людей и кормления животных. Основными загрязнителями почв являются промышленные выбросы химкомбинатов, пыль угольных резервов, бытовой мусор, осадки сточных вод очистительных сооружений при их бесконтрольном использовании и аварийные разливы нефти и продукты ее переработки. Имеющиеся на данный момент сведения по содержанию тяжелых металлов указывают на необходимость детальных мониторинговых исследований прежде всего полей, занятых под овощной продукцией, которая накапливает наибольшее количество вредных для человека элементов, а также земельных участков, выделяемых в пригородных зонах и в черте городов под сады и огороды, а также индивидуальное строительство.
Так как, в последние годы вынос кальция и магния из почвы не компенсируется их внесением, в земледелии России сложился отрицательный баланс кальция. В настоящее время площадь сельскохозяйственных угодий с кислыми почвами, составляет 43 млн. га. Отмечен интенсивный рост площадей кислых почв в Северо-Западном, Центрально-Черноземном, Поволжском, Северо-Кавказском, Восточно-Сибирском и других федеральных округах России. В сложившейся ситуации наиболее целесообразно внедрить положительный опыт республики Татарстан по известкованию кислых почв сыромолотыми известковыми мелиорантами, что позволит снизить стоимость
данного мероприятия в 1,5 раза. Рекомендуется использовать при этом новые современные технологии точного земледелия и их информационно-технологическое обеспечение созданные в Агрофизическом институте. Для этих целей нами разработаны технические условия на сыромолотый мелиорант грубого помола «Доломитовая мука» выпускаемый ООО Торговым домом «Доломит». Для известкования кислых почв в настоящее время целесообразно использовать современные рассеиватели минеральных удобрений (РМУ-8 и РМУ-10), выпускаемые совместно Германией и Республикой Беларусь. По сравнению с имеющимися машинами МХА-7 и МВУ-8 данные рассеиватели обладают большей производительностью (+ 30%) и надежностью в работе, высоким качеством внесения мелиорантов (неравномерность у новых машин от3 до 10%, а у старых 20-25%), а также возможностью работать по точному земледелию с электронными картами полей с учетом пестроты почвенной кислотности [6, 7, 9, 14].
Литература
1. Осипов А.И., Алексеев Ю.В. Биологические приемы снижения загрязнений растений тяжелыми металлами // Агрохимический вестник. 1996. №4. С. 4-5.
2. Комаров А.А., Шарашова В.С., Осипов А.И. Пространственное размещение растений - один из этапов конструирования многовидового растительного сообщества / Современные проблемы опытного дела: Материалы международной научно-практической конференции. 2000. С.92-100.
3. Небольсин А.Н., Небольсина З.П. Теоретические основы известкования почв. СПб.: Изд. ООО «ИННО+ВАЦИОННЫЙ ЦЕНТР ЗАЩИТЫ РАСТЕНИЙ», 2005. 256 с.
4. Небольсин А.Н., Небольсина З.П. Известкование почв. СПб.: Изд. НЧОУ НПО «СПУ им. Дона Боско», 2010. 268 с.
5. Осипов А.И., Минин В.Б. Научные основы управления реакцией среды кислых пахотных почв / Материалы XVI Международного экологического форума «День Балтийского моря» СПб., 2015. С.49-50.
6. Якушев В.П., Осипов А.И., Миннулин Р.М., Воскресенский С.В. К вопросу об известковании кислых почв в России // Агрофизика. 2013. №2(10). С. 18-22.
7. Якушев В.П., Осипов А.И. Химическая мелиорация почв - вчера, сегодня, завтра // Известия Санкт-Петербургского государственного аграрного университета. 2013. 30. С.68-72.
8. Осипов А.И. Экологические аспекты известкования кислых почв /
Международный агропромышленный конгресс «Перспективы инновационного развития агропромышленного комплекса и сельских территорий; СПб.: ООО « ЭФ-Интернэшнл», 2014. С. 201-203.
9. Осипов А.И. Научные основы химической мелиорации почв и перспективы их дальнейшего изучения // Агрофизика. 2012. 3. С. 41-50. 10.Пономарева Л.В., Осипов А.И. Биоремедиация почв, загрязненных нефтепродуктами // Агро XXI. 2000. № 10. С.18-19.
11. Пономарева Л.В., Кудрявцев Д.В., Цветкова Н.П., Осипов А.И. Алюмотолерантные микробные культуры и эффективность их использования / Сб.: Методическое и экспериментальное обеспечение адаптивно-ландшафтных систем земледелия АФИ-75 лет. СПб., 2007. С.170-185.
12. Осипов А.И. Известьсодержащие отходы промышленности и их эффективное использование / Материалы Международной научно-практической конференции и V съезда почвоведов и агрохимиков. Минск, 2015. Часть 2. С.182-185.
13. Осипов А.И. Приемы и технологии эффективного использования агрохимикатов / Сборник научных докладов ВИМ. 2012. Т.1. С. 580-586.
14. Осипов А.И. Известкование как важнейший прием оптимизации экологического состояния почв и повышения ее плодородия / Материалы Международной научной конференции «Экология и биология почв». Ростов-на-Дону, 2014. С.446-449.
Ключевые слова: химическая мелиорация почв, минеральные удобрения, мелиоранты, почва.
Key words: chemical melioration of soils, minerai fertilizers, améliorants, soil.
