Устойчивость серой лесной почвы под разными угодьями в агроландшафте Текст научной статьи по специальности «Сельское хозяйство, лесное хозяйство, рыбное хозяйство»

001: 10.24411/0044-3913-2018-10803 УДК 631.445.25:712

Устойчивость серой лесной почвы под разными угодьями в агроландшафте

Р. Н. УШАКОВ1, доктор сельскохозяйственных наук, профессор (e-mail: r.ushakov1971@mail.ru) А. В. РУЧКИНА1, аспирант

H. А. ГОЛОВИНА2, ассистент 1 Рязанский государственный агротехнологический университет им. П. А. Костычева, ул. Костычева,

I, Рязань, 390044, Российская Федерация

2Рязанский государственный медицинский университет имени академика И. П. Павлова, ул. Высоковольтная, 9, Рязань, 390026, Российская Федерация

Исследования проводили с целью изучения устойчивости серой лесной почвы под полем, лугом и лесопосадкой, образующими агроландшафт. В почве определяли буферность к загрязнению, подкис-лению, микробиологическую активность. Устойчивость к загрязнению оценивали по максимальной адсорбции (Отах) и буферной способности (ПБСТМ). Для расчета Отах использовали уравнение Ленгмюра. ПБСТМ рассчитывали по тангенсу угла наклона. Для определения емкости буферности к подкислению (ЕБ) и расчетной буферной способности (РБС[Н+]водн) использовали метод непрерывного потенциометриче-ского титрования. РБС[Н+] вычисляли

' ^ л водн

по формуле: РБС[Н+]водн = АС[Н+]/(С[Н+] ! - С[Н+]о), где ДС[Н+] - количество абсорбированных ионов водорода, С[Н+] ! - равновесная концентрация в растворе после взаимодействия титранта с почвой, С[Н+]о - исходная концентрация. Подкис-ление имитировали добавлением кислоты из расчета 2,5• 10-5моль/л, загрязнение -путем внесения меди из расчета 30 ПДК и 50 ПДК(стрессовая нагрузка). Контроль -почва без нагрузки. Микробиологические исследования осуществляли методом посева на питательные среды. В слое почвы 0...20 см общая ЕБ под лугом составила 8,66 мМ-экв/100 г, под лесопосадкой -3,58 мМ-экв/100 г. Величины показателя РБС[Н+]водн также свидетельствуют о положительном влиянии луговой экосистемы на формирование устойчивости. Пахотная почва больше поглощала цинка (Отах = 54 мМ/кг), почва под лесопосадкой - меди (Отах = 179), кадмия (Отах = 40) и свинца (Отах = 80), почва под лугом - свинца (Отах = 68 мМ/кг). На фоне подкисления разница в общей численности микроорганизмов, по сравнению с пашней (57^106К0Е/г), под лугом достигала 1,3 раза, лесопосадкой -2,1 раза. В опыте с загрязнением общая численность микроорганизмов в контроле на пашне, под лугом и лесопосадкой со-

ставляла 75,4 • 106 КОЕ/г, 693 106 КОЕ/г и 81,6^106 КОЕ/г соответственно. При загрязнении почвы снижение микробиологической активности по перечисленным экосистемам составило 61.67 %, 11.26 % и 58.72 %.

Ключевые слова: агроландшафт, устойчивость, серая лесная почва, лесополосы, луг, буферность к тяжелым металлам, подкислению, микробиологическая активность.

Для цитирования: Ушаков Р. Н., Ручки-на А. В., Головина Н. А. Устойчивость серой лесной почвы под разными угодьями в агро-ландшафте // Земледелие. 2018. № 8. С. 1113. йС1:10.24411/0044-3913-2018-10803.

Технологической основой устойчи -вого производства сельскохозяйственной продукции служат адаптивно-ландшафтные системы земледелия. Сейчас совершенствуют теоретические положения оценки ресурсного потенциала, устойчивости и экологической емкости, нормирования антропогенной нагрузки для формирования экологически сбалансированных агро-ландшафтов. Разработана система определения их устойчивости, что обеспечит проведение оценки его общей и агрономической устойчивости, а также устойчивости почвы как организующего компонента агроландшафта [1, 2]. Нарушение экологической сбалансированности агроландшафтов - одна из важных текущих проблем современного земледелия [3]. Для обеспечения их устойчивости и сохранения плодородия почв предлагают совершенствовать структуру использования пашни путем увеличения доли многолетних трав [4]. На агроландшафты должна возлагаться функция охраны почв, которую следует возвести в ранг национальной проблемы [5].

Решение вопросов повышения продуктивности агроландшафтов созвучно с проблемой их устойчивости к неблагоприятным воздействиям -подкислению и загрязнению тяжелыми металлами (ТМ). Поэтому цель исследований - изучить устойчивость серой лесной почвы под полем, лугом

и лесопосадкой, входящими в единыи агроландшафт.

Указанные компоненты агроландшафта на протяжении более чем 50-и лет образуют его единый комплекс с идентичным рельефом (табл. 1). В качестве показателей устойчивости использовали показатели буферности к подкислению и загрязнению, микробиологическая активность.

Устойчивость почвы к загрязнению оценивали по параметрам ионообменной адсорбции тяжелых металлов - максимальной адсорбции 0тах и потенциальной буферной способности (ПБСТМ) в области исходных концентраций катионов тяжелых металлов от 0 до 0,31 мМ/л при соотношении почва : раствор, равном 1:20 [6]. Находили точки пересечения касательной, проведенной при равновесной концентрации катионов тяжелых металлов 5 и 10 мМ/л. В этом случае ПБСТМ определяется как тангенс угла наклона. Для нахождения величин 0тах использовали уравнение Ленгмюра.

Емкость буферности к подкислению (ЕБ) и расчетную буферную способность (РБС[Н+]водн) определяли метод непрерывного потенциоме-трического титрования (НПТ)[7]. О величине ЕБ судили по количеству титранта, необходимого для изменения рН на заданную величину. Чем больше расходуется кислоты на сдвиг рН в пределах 0,5 единиц для каждого интервала, тем устойчивее почва к подкислению.

РБС[Н+]водн рассчитывали по формуле:

РБС[Н+]в0дН = ДС[Н+]/(С[Н+], - С[Н+]о),

где ДС[Н+] - отражает количество абсорбированных катионов, С[Н+] -равновесная концентрация в растворе после взаимодействия титранта с почвой, С[Н+]о - исходная концентрация.

РБС[Н+]водн служит количественной характеристикой межфазного взаимодействия. Она отражает количество поглощенных ионов водорода (фактор емкости) и активность их в растворе (фактор интенсивности). Чем больше твердая фаза поглощает ион водорода и меньше его остается в растворе, тем выше величина РБС[Н+] .

водн

Для определения устойчивости почвы к подкислению и загрязнению ТМ (на примере меди) под разными угодьями (пашня, луг, лесопосадка) подкисление моделировали путем добавления кислоты из расчета 2,510-5

1. Агрохимическая характеристика серой лесной почвы под разными экосистемами в слое 0...20 см

Экосистема рН 1 сол Подвижный фосфор, мг/100 г Обменный калий, мг/100 г Гумус, %

Поле 5,9±0,2 26,65±0,4 22,8±0,5 2,7±0,1

Луг 5,1±0,1 18,7±1,8 16,0±1,2 2,8±0,06

Лесопосадка 5,2±0,04 6,5±1,1 22,3±0,9 5,1±0,06

Ы (D 3 ь

(D д

(D Ь 5

(D

00 2

О ^

2. Буферность к подкислению серой лесной почвы в зависимости от места в агроландшафте, мМ-экв/100 г

Экосистема Слой, см Буфер-рность Интервалы значений рН Общая

7,0... 6,5 6,5... 6,0 6,0... 5,5 5,5... 5,0 5,0... 4,5 4,5... 4,0 4,0... 3,5 3,5... 3,0

Пашня 0-20 20-30 ЕБ РБС[Н+] L -'води. ЕБ РБС[Н+] водн. нет нет нет нет нет нет нет нет 0,16 13,8 0,24 26,2 0,24 10,0 0,24 14,2 0,71 7,3 0,71 7,0 1.03 3.4 0,95 3,4 1,42 1,3 1,42 1,90 1.9 0,9 1,58 0,3 5,46 5,14

Луг 0-20 ЕБ 0,16 0,31 0,63 0,79 1,16 1,50 1,26 2,85 8,66

РБС[Н+] водн. 157,0 101,0 75,9 37,4 18,0 15,7 3,9 1,1 -

20-30 ЕБ 0,16 0,40 0,40 0,71 1,11 0,79 1,26 1,90 6,73

РБС[Н+] водн. 128,0 128,0 69,4 34,8 16,9 7,9 2,8 0,7 -

Лесопо- 0-20 ЕБ нет нет нет нет 0,31 0,90 1,03 1,34 3,58

садка РБС[Н+] водн. нет нет нет нет 1,9 1,5 0,8 0,06 -

20-30 ЕБ нет нет нет нет нет 0,24 0,71 1,34 2,29

РБС[Н+] водн. нет нет нет нет нет 0 0 0 -

моль/л и меди - из расчета 30 ПДК и 50 ПДК. Во всех опытах в качестве контроля использовали почву без нагрузки (фон). Высокие (стрессовые) уровни загрязнения и подкисления почвы продиктованы законом ограничения адаптивной способности организма пределами нормы его реакции к условиям окружающей среды. Влажность почвы поддерживали на уровне 30 % от сухой почвы.

лесопосадкой - меди (Qmax = 179), кадмия (Q = 40) и свинца (Q =

max max

80), почва под лугом - свинца (Qmax = 68 мМ/кг). Под лесопосадкой и лугом, по сравнению с пашней, повышалась устойчивость серой лесной почвы к кадмию и свинцу (табл. 3). По свинцу под пашней при равновесной концентрации (X) 10 мМ/л фактор емкости (Yo) составил 23,5 мМ/л, под лугом -

15,7 мМ/л.

3. Потенциальная буферная способность и параметры уравнения Ленгмюра

от ее места в экосистеме

микроорганизмов, использующих м инер а ль ные форм ы а зо та , - н а 25,9106 КОЕ/г; микроскопических грибов - на 78-103 КОЕ/г, при этом целлюлозоразрушающих организмов оказалось на 86,4 -103 КОЕ/г меньше (табл. 4). Дополнительная кислотная нагрузка на почву снизила значение рН почвенного раствора под всеми экосистемами. Все группы микроорганизмов, за исключением целлю-серой лесной почвы в зависимости

Экосистема X = 5 мМ/л X = 10 мМ/л -AG, кДж/моль Q , мМ/кг max' '

Y1 1 Qo Y o ПБС Y1 1 Qo 1 Y o ПБС

Луг 37,6 30,1 20,1 1,5 Цинк 41,4 36,4 72,8 0,5 16,57 46

Пашня 34,3 21,3 8,2 2,6 42,0 32,0 32,0 1,0 14,23 54

Лесопосадка 37,2 30,2 21,6 1,4 40,3 36,3 90,8 0,4 16,06 44

Луг 40,0 18,5 4,3 4,3 Медь 53,3 34,3 18,1 1,9 12,88 80

Пашня 46,9 19,4 3,5 5,5 66,5 37,5 12,9 2,9 12,03 114

Лесопосадка 46,4 11,4 1,63 7,0 73,7 28,7 6,4 4,5 10,39 179

Кадмий

Луг 24,9 15,4 8,1 1,9 29,7 22,7 32,5 0,7 14,65 37

Пашня 24,1 15,6 9,2 1,7 28,2 22,2 37,1 0,6 15,08 34

Лесопосадка 26,4 16,4 8,2 2,0 31,8 24,8 35,5 0,7 14,55 40

Свинец

Луг 32,2 13,7 3,7 3,7 43,7 26,7 15,7 1,7 12,66 68

Пашня 33,9 18,4 5,9 3,1 43,6 30,6 23,5 1,3 19,94 61

Лесопосадка 45,2 23,7 5,5 4,3 57,8 40,8 24,0 1,7 19,62 80

Микробиологические исследования проводили методом посева на питательные среды в Институте биохимии и физиологии микроорганизмов им. Г. К. Скрябина и в институте ФХиБПП РАН (г. Пущино).

Наибольшую буферную способность имела серая лесная почва под лугом. В слое 0...20 см общая емкость буферности (ЕБ) составила 8,66 мМ-экв/100 г 20.30 см - 6,73 мМ-экв/100 г (табл. 2). В почве под лесопосадкой, несмотря на высокое содержание гумуса, установлены наименьшие $2 значения ЕБ - 3,58 (0.20 см) и о 2,29 мМ-экв/100 г (20.30 см). Ре-оо зультаты определения потенциальной ^ буферной способности (РБС[Н+]водн) о также свидетельствуют о положитель-| ном влиянии луговой экосистемы на формирование устойчивости почвы ® кподкислению.

5 Пахотная почва поглощала больше $ цинка (Отах = 54 мМ/кг), почва под

Почва - среда обитания для микроорганизмов. Поэтому изучение их активности позволит оценить плодородие почвы. Это в особенности важно на фоне проявления таких неблагоприятных факторов, как под-кисление и загрязнение [8, 9].

По сравнению с пашней, в почве под лесопосадкой численность аммонификаторов была больше на 31,4106 КОЕ/г; общее количество

лозоразрушающих актиномицетов, микроскопических грибов и денитри-фикаторов, отреагировали снижением численности на подкисление почвы. Количество аммонификаторов, микроорганизмов на крахмальном агаре (общее количество), нитрифи-каторов и аэробных азотофиксаторов в почве под лесопосадкой уменьшилось соответственно на 8; 7; 53 и 63 %, в пахотной почве - на 15, 31, 18 и 63 %

4. Численность микроорганизмов серой лесной почвы в зависимости от кислотной нагрузки под разными экосистемами

Экосистема Добавлено кислоты, мольх10-5/л рН Аммо-нифи-каторы Микроорганизмы, использующие минеральный азот Целлюлозо-разрушающие бактерии Микро-скопи-ческие грибы Нитри-фика-торы

106 КОЕ/г 103 КОЕ/г

Пашня фон 6,0 27,3 48,7 100 150 20,3

2,5 4,5 23,2 33,6 89,5 122 23,2

Луг фон 7,1 53,8 43,4 61,8 89 11,3

2,5 5,7 33,5 41,2 36,2 79 10,3

Лес фон 4,8 58,7 74,6 13,6 228 17,6

2,5 3,9 54,1 69,2 43,7 236 0,3

2I. P. Pavlov Ryazan State Medical University, ul. Vysokovol'tnaya, 9, Ryazan', 390026, Russian Federation

5. Численность микроорганизмов серой лесной почвы в зависимости от загрязнения под разными экосистемами

Экосистема Добавлено меди, мг/кг Аммони-фикато-ры Микроорганизмы, использующие минеральный азот Целлюло-зоразру-шающие бактерии Микроскопические грибы Нитри-фика-торы

106 КОЕ/г 103 КОЕ/г

Пашня Фон (контроль) 30 ПДК 50 ПДК 27,8 23,6 20,6 47,5 10,0 8,4 44,7 18,5 3,2 46.5 83.6 82,4 31,9 4,4 4,0

Луг Фон (контроль) 31,1 38,1 48,9 40,0 61,6

30 ПДК 25,6 36,1 29,7 95,9 6,9

50 ПДК 24,1 27,4 3,6 48,8 27,8

Лес Фон (контроль) 42,4 39,1 64,6 61,9 29,9

30 ПДК 13,3 21,3 40,0 73,1 23,5

50 ПДК 12,7 9,8 17,1 103 2,6

соответственно. Кроме того, в почве пашни уменьшилась численность целлюлозоразрушающих организмов (на 17 %).

При дополнительной кислотной нагрузке общая численность микроорганизмов под пашней составила 57-106 КОЕ/г, под лугом - 75-106 КОЕ/г, лесопосадкой - 123106 КОЕ/г Таким образом, на основе биодиагностики можно заключить, что серая лесная почва под лесными и луговыми компонентами агроландшафта более устойчива к подкислению.

В пахотной почве при дозе меди, соответствующей 30...50 ПДК, резко сократилась численность микроорганизмов, использующих минеральные формы азота (на 78.82 %), целлюлозоразрушающих и нитрифицирующих бактерий (соответственно на 58.93 % и 55.89 %). Общая численность микроорганизмов в контролях на пашне, под лугом и лесопосадкой составляла 75,4-106 КОЕ/г 69,3-106 КОЕ/г и 81,6106 КОЕ/г соответственно. При загрязнении почвы снижение микробиологической активности под пашней составило 61.67 %, лугом - 11.26 %, лесопосадкой - 58.72 % (табл. 5). По-видимому, ингибирование активности почвенной микрофлорой под лесопосадкой объясняется высокой кислотностью почвы, на фоне которой возрастает активность тяжелых металлов.

Результаты наших исследований еще раз подтверждают необходимость совершенствования инфраструктуры агроландшафтов для обеспечения их устойчивости в долгосрочной перспективе вопреки давлению экономической конъюнктуры над аграрным производством.

На основании результатов исследования можно сделать следующие выводы:

в луговой экосистеме складываются наилучшие условия для увеличения устойчивости серой лесной почвы к подкислению;

биодиагностика указывает на повышение устойчивости серой лесной почвы и агроландшафта в целом при увеличении доли лугового компонента.

Литература.

1. К усовершенствованию теоретических основ формирования экологически сбалансированных агроландшафтов / Н. П. Масютенко, Н. А. Чуян, А. В. Кузнецов и др. // Достижения науки и техники АПК. 2015. Т. 29. № 8. С. 10-14.

2. Trofimov A. P., Trofimova L. S., E. P. Yakovleva Development of the Systematic Approach to Studying Agricultural Land and Agrolandscape Management // Biology Bulletin. 2017. No. 10. Pp. 1308-1315.

3. Пыхтин И. Г., Дубовик Д. В., Айдиев

A. Я. Текущие проблемы в земледелии // Земледелие. 2018. № 5. С. 8-11.

4. Проблемы земледелия и управления агроландшафтами / И. А. Трофимов,

B. М. Косолапов, Л. С. Трофимова и др. // Земледелие. 2014. № 7. С. 3-5.

5. Каштанов А. Н. Охрана почв - важнейшая национальная проблема // Земледелие. 2007. № 4. С. 10-11.

6. Водяницкий, Ю. Н., Фрид А. С., Шайму-хаметов М. Ш. Применение уравнений Ленг-мюра и Дубинина-Радушкевича для описания изотерм адсорбции ортофосфатов почвами // Агрохимия. 1998. № 7. С. 27-34.

7. Соколова Т. А. Взаимодействие лесных суглинистых подзолистых с модельными кислыми осадками и кислотно-основная буферность подзолистых почв. М.: Изд-во МГУ, 2001. 208 с.

8. Influence of metal contamination in soil on metabolic profiles of Miscanthus x gigante usbelowground parts and associated bacterial communities / H. N. Pham, P. A. Pham, T. T. H. Nguyen, etc. // Applied Soil Ecology. 2018. Vol. 125. Pp. 240-249.

9. Susceptibility to additional stressors in metal-tolerant soil microbial communities from two pollution gradients / H. Azarbad, N. M. van Straalen, R. Laskowski, etc. // Applied Soil Ecology. 2016. Vol. 98. Pp. 233-242.

Sustainability of Gray Forest Soil under Different Types of Land in Agrolandscapes

R. N. Ushakov1, A. V. Ruchkina1, N. A. Golovina2

1P. A. Kostychev Ryazan State Agrotechnological University, ul. Kostycheva, 1, Ryazan', 390044, Russian Federation

Abstract. The purpose of the research was to study the sustainability of gray forest soil under field, meadow and forest plantation, forming an agricultural landscape. Buffer capacity for acidification and pollution and microbiological activity were determined in the soil. Soil resistance to pollution was assessed by the maximum adsorption Qmax and the buffer capacity to heavy metal SBC(HM). Buffering capacity was calculated by the slope tangent. To calculate Qmax, the Langmuirequation was used. To determine the buffer capacity for acidification BC and the calculated buffer capacity CBC[H+]aq, the method of continuous potentiometric titration was used. CBC[H+]aq was calculated by the formula: CBC[H+]aq = deltaC[H+]/(C[H+]i - C[H+] o), where deltaC [H+] was the number of absorbed hydrogen ions, C[H+]i was the equilibrium concentration in solution after the interaction of the titrant with the soil, C[H+]o was the initial concentration. The acidification was modeled by adding acid at the rate of 2.5x10E-5 mol/L; the pollution was simulated by addition of copper at the rate of 30 maximum permissible concentration (MPC) and 50 MPC (the stress load). In all experiments, the soil without load was a control. Microbiological studies were carried out by inoculation on nutrient media. In the 0-20 cm layer, the total BC was 8.66 mM-eq/100 g, under the forest plantation it was 3.58 mM-eq/100 g. The values of CBC[H+]aq also indicated a positive effect of the meadow ecosystem on the maintenance of soil sustainability. The arable soil absorbed more zinc ( Qmax = 54 mM/kg), the soil under forest plantations absorbed more copper (Qmax = 179 mM/ kg), cadmium (Qmax = 40 mM/kg) and lead (Qmax = 80 mM/kg), the soil under meadow absorbed more lead (Qmax = 68 mM/kg). Against the background of acidification, the difference in the total number of microorganisms in comparison with the arable land (57 x 10E6 CFU/g) under the meadow was 1.3 times, and under forest plantations it was 2.1 times. In the test pollution, the total number of microorganisms in the control in the arable land, under meadow and forest plantations was 75.4 x 10E6 CFU/g, 69.3 x 10E6 CFU/g and 81.6 x 10E6 CFU/g, respectively. With soil contamination, the decrease in microbiological activity for the same ecosystems was 61-67%, 11-26% and 58-72%.

Keywords: agricultural landscape; sus-tainability; gray forest soil; tree belt areas; meadow; buffer capacity for heavy metals and acidification; microbiological activity.

Author Details: R. N. Ushakov, D. Sc. $ (Agr.), prof. (e-mail: r.ushakov1971@mail. ru); A. V. Ruchkina, post graduate student; ^ N. A. Golovina, assist.

CD

For citation: Ushakov R. N., Ruchkina A. V., Golovina N. A. Sustainability of Gray e Forest Soil under Different Types of Land in z Agrolandscapes. Zemledelije. 2018. No. 8. 8 Pp. 11-13 (in Russ.). DOI: 10.24411/0044- M

3913-2018-10803. °

■ «