CC BY
83
УДК 631.82: 631.821
ВОПРОСЫ ОПТИМИЗАЦИИ КИСЛОТНОСТИ ПОЧВ
И БАЛАНСА КАЛЬЦИЯ
1 2 Н. И. Аканова , доктор биол. наук, профессор; В. Н. Темников , канд. с.-х. наук, доцент;
Г. Е. Гришин3, доктор с.-х. наук, профессор; Н. А. Комарова4, канд. биол. наук, доцент;
О. Д. Шафронов , доктор с.-х. наук, профессор
1ГНУ ВНИИ Агрохимии им. Д. Н. Прянишникова, г. Москва; 2ФГОУ ВПО МГАУ им. В. П. Горячкина, г. Москва, e-mail: [email protected]; 3ФГОУ ВПО «Пензенская ГСХА», г. Пенза, e-mail: [email protected]; 4ФГУЦАС «Владимирский», г. Владимир, e-mail: [email protected]; 5ФГУЦАС «Нижегородский», г. Нижний Новгород, e-mail: [email protected]
Рассмотрены вопросы динамики кислотности различных типов почв, выявлены размеры потерь оснований из пахотного слоя и произведен расчет баланса кальция в земледелии. Произведен расчет потребности отдельных регионов в известковых материалах.
Ключевые слова: известкование почв, плодородие, кислотность почв, кальциевый режим.
Актуальность проблемы известкования почв в России связана с наибольшими по сравнению с другими странами площадями почв с избыточной кислотностью (более 35 млн. га). Зона периодического известкования с промывным режимом увлажнения почв составляет 55-60 млн. га. За полный период действия 1 тонна СаСО3 окупается тонной сельскохозяйственной продукции в пересчете на зерно. К сожалению, в Российской Федерации за последние 5 лет ежегодно известкуется от 180 до 360 тыс. га, причём около 50 % от этого объёма известкуется в Республике Татарстан.
Подкисление среды в корнеобитаемом слое почвы происходит в результате объективного постоянно идущего процесса миграции с инфильтрационными водами кальция (и других оснований), а также биологических процессов с выделением «кислых» продуктов.
Расчеты баланса кальция в земледелии, анализ данных полевых опытов и практика известкования свидетельствуют о том, что для компенсации потерь кальция из почвы нужно ежегодно вносить 22...27 млн. т известковых удобрений в физической массе. Для прогрессивного снижения кислотности почвы и положительного ба-
ланса кальция уровень применения химических мелиорантов должен быть не менее 35 млн. т в год. Решение этого вопроса реально, так как сырьевая база в нашей стране достаточна. Однако в настоящее время с известковыми удобрениями поступает лишь 6. 7 % кальция, необходимого для компенсации потерь этого элемента из почвы. Поэтому происходит постоянное подкисление среды в почве со среднегодовым снижением рН на 0,015-0,025 ед.
Кальциевый режим почв в значительной степени определяет урожаи сельскохозяйственных культур, их качество, а также состояние других компонентов агрофи-тоценозов и сопряженных биогеоценозов. Ухудшение кальциевого режима почв, наблюдающееся в последнее время, связано с недостаточным внесением в почву извести, загрязнением воздушной и водной сред, нарушениями технологии выращивания сельскохозяйственных культур. Оптимизация технологий выращивания сельскохозяйственных культур позволит повысить как эффективность внесения в почву СаСОз, так и урожай культур, качество продукции. Теоретическое обоснование приемов стабилизации и оптимизации кальциевого режима почв является одним из необ-
Таблица 1
Градации степени насыщенности почв катионами, % [3]
Градация Са Мд К Ыа
Очень низкая <5 <2 <0,5 <0,1
Низкая 5...20 2...10 0,5...1,0 0,1...2,0
Средняя 20...60 10...25 2,5...10,0 10...25,0
Высокая 60...90 25...40 2,5...10,0 10...25,0
Очень высокая >90 >40 >10 >25,0
ходимых условий для достижения поставленных целей.
Полученные агрохимической службой данные по содержанию обменного кальция в почвах субъектов РФ (рисунок) в значительной мере дают оценку эффективности проведенных ранее мероприятий по известкованию кислых почв, целесообразности использования полных доз извести и влияния этого показателя плодородия почв на уровень достигнутых урожаев. Полные дозы извести обеспечивают наивысшую продуктивность пашни не только по урожайности сельскохозяйственных культур, но и получению продукции с высокими показателями качества.
В целом по РФ более 48 % почв характеризуются очень низким, низким и средним содержанием кальция. В почвах таких регионов страны, как Северный, СевероЗападный и Центральный, в среднем содержится обменного кальция более чем в 3 раза меньше, чем почвах ЦентральноЧерноземного региона (5,9...6,4 против 21,4 мг-экв./100 г), что не на много превосходит по этому показателю бедные питательными элементами и легкие по гранулометрическому составу почвы Белоруссии
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
(средневзвешенный показатель содержания кальция - 5,2 мг-экв./100 г). В этих регионах 49.52 % всех площадей пахотных почв характеризуются низким содержанием обменного кальция, 40.42 % - средним, и только 8.10 % площадей почв отличаются повышенным его уровнем. Велика доля среднеобеспеченных кальцием почв в Уральском, Восточно-Сибирском и Дальневосточном районах (до 18.41 % обследованных площадей почв). Таким образом, существует проблема оптимизации кальциевого питания сельскохозяйственных культур и необходимости ее решения комплексом агрохимических приемов, главным образом известкованием.
Градации обеспеченности кальцием, как и градации оптимальных показателей кислотно-основного равновесия почв, зависят от сочетания свойств почв, климатических условий, в т. ч. режима увлажнения, выращиваемых культур, а также степени гумусированности, типа, гранулометрического состава и емкости поглощения почв (6, 9, 11.12). В то же время оптимальное содержание других катионов в почве зависит от содержания Са и рН среды (табл. 1).
ш ч о го" О и ч а
с о ^
X ы о н о с;
н н о н е с й
X м о
а ю н
с о н а
и м ш
ч е о
а и ч
^ н е
о а с;
с; С £ с
О.Ю ео
I-
о о
с
м
го
3 4 5 6 7 8
□ низкое ( 5.0) Цсреднее (5.4-10.0) Цповышенное ( 10.0) содержание обменного Са, мг-экв./100 г
9 10
Экономические районы
Характеристика пахотных почв РФ по содержанию обменного кальция: 1 - Северный р-н; 2 - Северо-Западный р-н; 3 - Центральный р-н; 4 - Волго-Вятский р-н; 5 - Центрально-Черноземный р-н; 6 - Уральский р-н; 7 - Западно-Сибирский р-н; 8 - Восточно-Сибирский р-н; 9 - Дальневосточный р-н; 10 - РФ в целом
0
Между балансом кальция и сдвигом реакции среды существует тесная взаимосвязь. Для снижения почвенной кислотности необходимо, чтобы баланс кальция в почве был положительным и запас его был достаточным для сдвига реакции. Например, по обобщенным данным многолетних агрохимических обследований Владимирского агрохимцентра 1,2 т/га СаСО3 сдвигает рН на 0,3 единицы. При учете потерь кальция из почвы для поддержания реакции ее на уровне рН 5,6...6,0 необходимо ежегодно вносить около 1 т/га СаСОз [2, 3].
Общее количество кальция, поступающее на 1 га кислых почв с учетом содержания его в атмосферных осадках, органических удобрениях, фосфоритной муке и известковых материалах составляет около 350 кг/га в пересчете на СаСО3 [1, 7]. Этого количества едва хватает на компенсирование естественных потерь кальция из почвы.
Одновременно с нейтрализацией кислотности повышается насыщенность поглощенными основаниями, которые накапливаются преимущественно в слое 0.20 см. Анализ результатов миграции обменных оснований на реперных участках Владимирского ЦАС подтверждает это положение (табл. 2). По данным агрохимцентра, проводимое в области периодическое известкование дерново-подзолистых и серых лесных почв в средних дозах 4.5 т/га способствовало снижению уровня кислотности за 16 лет с 4,8 до 5,6, т. е. сдвиг рН происходил с интенсивностью 0,04.0,05 в год. При этом величина Нг снизилась: в серой лесной почве с 2,70 до 1,55 мг-экв./100 г; дерново-подзолистой суглинистой - с 2,08 до 0,51; дерново-подзолистой песчаной - с 2,20 до 1,80. Одновременно увеличивалось содержание обменных оснований кальция и магния. Условия были близки к оптимальным для большинства возделываемых культур и создавали хороший фон для действия минеральных удобрений [7].
Эколого-агрохимические требования к применению известковых удобрений определяются в значительной мере и тем, что они являются необходимыми компонентами комплексных систем химизации в технологиях выращивания экологически безопасной продукции на кислых почвах.
Исследования по разработке теоретических вопросов и практических приемов известкования были приурочены к Нечерноземной зоне России. В основном это было связано с тем, что черноземы лесостепной и степной зон обладали высоким есте-
ственным плодородием и имели от природы нейтральную или слабокислую реакцию, что позволяло возделывать на них наиболее ценные и требовательные к почвенной кислотности сельскохозяйственные культуры. До сих пор нет единого мнения о необходимости известкования оподзолен-ных и выщелоченных черноземов, многие исследователи считают, что в отличие от дерново-подзолистых почв черноземы не нуждаются в проведении известкования. Такая точка зрения обусловлена высокой суммой обменных оснований в них: 35...40 мг-экв./100 г в оподзоленных и 40...45 мг-экв./100 г в выщелоченных черноземах. Расчет показывает, что при этом только в пахотном слое содержание оснований в пересчете на СаСО3 составляет 55...65 т/га, а в гумусовом горизонте оно в 2... 3 раза выше. К этому следует добавить высокую емкость обмена - 40...60 мг-экв. на 100 г почвы, степень насыщенности основаниями - 80...90 % и содержание гумуса -5...10 %. Эти агрохимические показатели, на первый взгляд, определяют устойчивую буферную систему, способную противостоять подкислению среды в почве. При таких показателях гидролитическая кислотность, равная 3...5 мг-экв./100 г, и, как правило, близкая к нейтральной реакция среды в почве не могут препятствовать успешному возделыванию основных сельскохозяйственных культур и получению высоких и устойчивых урожаев [3-6].
Таблица 2
Содержание Са и Мд по почвенному профилю дерново-подзолистой суглинистой почвы
Вариант Слой почвы, см рН Са Мд
мг-экв./100 г почвы
Контроль 0...20 4,0 1,6 0,8
20...40 4,2 2,6 1,4
40...60 3,9 2,8 1,2
60...80 3,8 3,2 1,7
80...100 3,6 3,8 2,4
ЫРК без извести 0...20 3,8 1,2 0,4
20...40 4,4 2,1 1,2
40...60 4,1 3,0 2,0
60...80 3,8 3,0 3,2
80...100 3,6 4,3 2,6
ЫРК + известь 0...20 5,8 3,5 1,6
20...40 5,6 2,8 1,6
40...60 4,0 2,9 1,2
60...80 3,7 4,0 2,1
80...100 3,7 3,1 2,0
По имеющимся в литературе данным, на черноземах выщелоченных, оподзолен-ных и типичных, характеризующихся низкими величинами рНсол, относительно высоким уровнем гидролитической кислотности пахотного слоя, влияние известкования на урожайность возделываемых культур может быть не столь значительным в силу того, что подпахотные горизонты не содержат высоких концентраций подвижных форм алюминия, железа и марганца, что не ведет к ограничению мощности корне-обитаемого слоя [4-5].
Однако интенсификация земледелия на черноземах и, прежде всего, возросший уровень применения минеральных удобрений привели на практике к повсеместному под-кислению среды не только в оподзоленных и выщелоченных, но и в типичных и обыкновенных черноземах. Агрохимическое обследование почв в регионах с преобладанием черноземов выявило 13.. .15 млн. га их с рН в солевой суспензии менее 5,5. Зафиксированы черноземы не только со средней, но и с сильной степенью кислотности. Результаты длительных полевых опытов и поэтапные агрохимические обследования почв показали, что в зонах распространения оподзоленных и выщелоченных черноземов среднегодовое уменьшение величины рН почвенной среды составляет 0,03.
В Нижегородской области очень пестрый почвенный покров: от подзолистых и дерново-подзолистых почв на севере до серых лесных и выщелоченных и оподзо-ленных черноземов на юге. По кислотности почвы характеризуются от сильно и средне кислых до нейтральных. Многолетними исследованиями выявлено, что отмеченная в некоторых случаях невысокая эффективность известкования на продуктивность севооборота на серых лесных почвах, по-видимому, обусловлена низким содержанием подвижного А1 в изучаемых почвах (менее 1,2 мг/100 г) и благоприятными химическими и физико-химическими свойст-
вами подпахотных горизонтов. На таких почвах было наиболее эффективно применение лишь поддерживающего известкования. Однако путём анализа изменения соотношения почв с разной степенью кислотности в Нижегородской области выявлено, что кислотные свойства черноземов в период до 1966 года ухудшились (показатель рН снизился) и в целом за период до 2004 г. по мере нарастания объемов известкования черноземов происходило снижение доли почв, не нуждающихся в известковании (рНКс1 > 5,5 ед.), с 49 (1-й цикл) до 23 % (8-й цикл) [10].
Подкисление обнаруживается и на подтопляемых землях Краснодарского края, их площадь уже достигает 1 млн. га. Экстенсивное ведение земледелия в этом регионе приведет к резкой нехватке кальция и магния. Поэтому почвы Краснодарского края для поддержания урожайности 60.80 ц/га уже нуждаются в известковании.
Сдержать процесс подкисления черноземов в настоящее время нечем, так как уровень применения органических удобрений крайне низкий, а начавшееся лишь недавно применение известковых удобрений не восполняет потери кальция. Возникают парадоксальные явления, когда в Пензенской области, где преобладают выщелоченные черноземы, средневзвешенный показатель рН составляет 5,0, а в Псковской, в подзолах, - 5,5.
Хотя результаты обобщения динамики кислотности почв показывают, что средневзвешенный показатель кислотности за период резкого снижения интенсивности химизации во многих областях европейской части страны стабилизировался на уровне 5,4.5,5, однако основная причина отмеченного факта - сокращение площадей пахотных низкоплодородных почв, а значит, и наиболее кислых, что снижает долю таких почв общем объеме.
Но основная тенденция рассматриваемого процесса такова, что низкие темпы
Таблица 3
Распределение пахотных почв по уровню кислотности (на 01.01.2009 г.)
Область Общая площадь сельхозугодий Распределение пахотных почв по степени кислотности, га Потребность в извести , т
очень сильно кислые (рН<4,0) сильно кислые (рН 4.4,5) средне кислые (рН 4,6.5,0) слабо кислые (рН 5,1.5,5)
Владимирская 872,900 803 5 920 25 005 134 650 1 114 097
Нижегородская 2 841,700 9 626 80 402 345 644 666 746 7 592 006
Пензенская 2 819,700 0 83 002 633 937 626 688 9638 192
Таблица 4
Экономическая эффективность от разового применения известняковой муки
Область Объём применения извести, тыс. т Объём прибавки урожая в пере- Стоимость прибавки урожая, млн. руб.* Затраты на известкование Стоимость прибавки урожая на Рентабельность известкования, %
счёте на почв, 1 руб. за-
зерно, тыс. т млн. руб. трат, руб.
Владимирская 205,0 150,0 450,0 153,0 2,94 294
Нижегородская 1216,5 729,9 2189,7 916,1 2,39 239
Пензенская 1381,7 829,0 2487,1 1025,5 2,42 242
* в ценах 2010 года
известкования в последние годы привели к увеличению площадей кислых почв. Если не принять мер государственной поддержки, кислотность почв в ближайшие 10 лет достигнет критических величин и станет главным фактором, сдерживающим дальнейший рост продуктивности сельскохозяйственных угодий. По обобщенным данным агрохимического обследования, на 01.01.2009 г. выявлены площади кислых почв и рассчитана потребность в известковых удобрениях (табл. 3).
В современных условиях, когда затраты на известкование 1 га пылевидной известняковой мукой достигают 10 тыс. руб. и более, высокая стоимость этого мероприятия является главной причиной низких темпов мелиорации почв. Однако, как показывает практика земледелия и многочисленные научно-исследовательские работы, известкование почв является перспективным мероприятием, так как позволяет получать очень высокую окупаемость затрат. Высокая эффективность известкования дерново-подзолистых почв обусловлена улучшением физико-химических свойств пахотного слоя, что обеспечивает увеличение мощности корнеобитаемого слоя. На известкованных почвах культурные растения используют, как показали результаты исследований, существенно более высокие запасы продуктивной влаги. Это позволяет растениям без значительного ущерба для урожая и качества продукции переносить длительные периоды засухи и существенно повышать окупаемость применяемых удобрений. Следуя научно обоснованным рекомендациям и используя нормативы расхода известковых материалов для исследуемых типов почв на примере Владимирской, Нижегородской и Пензенской областей мы рассчитали примерный экономический эффект от известкования (табл. 4).
Почвенный поглощающий комплекс способен удержать определенное количество катионов кальция и магния, соответствующее его емкости катионного обмена. При внесении излишка извести в почве ос-
таются свободные карбонаты кальция, которые в первую очередь вымываются с фильтрующимися атмосферными осадками. Значение рН почвы отражает наличие свободных карбонатов и является показателем скорости передвижения катионов кальция. В связи с этим в практике известкования, особенно в настоящее время, в период экономических трудностей, возникают вопросы целесообразности применения полных доз извести и использования умеренных доз (1/2 или 3/4 г. к.).
Прогнозные расчеты изменения структуры кислотности почв свидетельствуют о потенциальном росте площадей с избыточной кислотностью. При этом почти в 2 раза увеличиваются площади почв с рН = 5,0 и менее, то есть нуждающиеся в первоочередном известковании (табл. 5).
Таблица 5 Прогноз структуры кислотности пахотных почв
Группа почв по рН 2005 год 2015 год
млн. га % млн. га %
5,6...6,0 24,0 40,9 7,2 12,3
5,1 ...5,5 22,5 38,2 29,9 51,2
4,6.5,0 9,6 16,2 17,0 29,2
4,5 и менее 2,72 4,6 4,3 7,3
Всего 58,8 58,4
в т. ч. 5,5 и менее 34,8 59,2 51,2 87,7
5,0 и менее 12,3 20,9 21,3 36,4
Таким образом, известкованию почв как природоохранному фактору нет альтернативы. Мировой опыт ведения сельского хозяйства свидетельствует об активной роли государственной поддержки химической мелиорации почв. Нам следует использовать опыт СССР, в котором известкование почв осуществлялось за счёт государства. Иначе мы будем ежегодно терять 20 млн. т сельскохозяйственной продукции в пересчёте на зерно, качество урожая резко снизится и может происходить загрязнение растений и грунтовых вод различными токсичными веществами.
Литература
1. Аканова, Н. И. Агроэкологическая и энергетическая эффективность сочетания известкования с минеральными удобрениями: автореф. дис. ... докт. с.-х. наук / Н. И. Аканова. - М.: ВИУА, 2001. - 45 с.
2. Баринова, К. Е. Влияние длительного последействия окультуривания почв Нечерноземной зоны на их плодородие, урожайность сельскохозяйственных культур и его природоохранная оценка: автреферат дис. . канд. с.-х. наук / К. Е. Баринова. -2000. - 26 с.
3. Гришин, Г. Е. Влияние известкования и систем удобрения на агрохимические свойства чернозема выщелоченного и продуктивность звена севооборота / Г. Е. Гришин // Вопросы известкования почв / под ред. И. А. Шильникова, Н. И. Акановой. -М.: Агроконсалт, 2002. - С. 64.
4. Гришин, Г. Е., Повышение плодородия почв и урожайности сельскохозяйственных культур при использовании каль-цийсодержащих материалов и удобрений: монография / Г. Е. Гришин, Е. Н. Кузин, Е. В. Курносова, Л. А. Кузина. - ПензГСХА, 2009. - 234 с.
5. Ивойлов, А. В. Основные результаты исследований и проблемы известкования выщелоченных черноземов республики Мордовия / А. В. Ивойлов // Вопросы известкования почв / под ред. И. А. Шиль-никова, Н. И. Акановой. - М.: Агроконсалт, 2002. - С. 74.
6. Экологическая оценка взаимодействия удобрений и мелиорантов с почвой: монография / Ю. А. Духанин, В. И. Савич, А. Г. Замараев [и др.]. - М.: Минсельхоз, 2005. - 324 с.
7. Комаров, В. И. Эколого-агрохимическая оценка содержания тяжелых металлов в агроландшафтах Владимирской области: автреф. дис. ... канд. с.-х. наук / В. И. Комаров. - СПб. - Пушкин, 2004. - 25 с.
8. Комаров, В. И. Агрохимическая и агроэкологическая характеристика почв Владимирской области: монография / В. И. Комаров, К. Е. Баринова. - 2008. - 184 с.
9. Небольсин, А. Н., Теоретические основы известкования почв / А. Н. Небольсин, З. П. Небольсина. - СПб., 2005. -С. 252.
10. Шафронов, О. Д. Эколого-агрохими-ческая оценка плодородия дерново-подзолистых почв Волго-Вятского региона при их длительном сельскохозяйственном использовании: автореф. дис. ... докт. с.-х. наук. - Казань, 2006. - 45 с.
11. Шильников, И. А. Баланс кальция и динамика кислотности пахотных почв в условиях известкования / И. А. Шильников, С. А. Ермолаев, Н. И. Аканова. - М.: ООО «Технология», 2006. - 158 с.
12. Шильников, И. А. Известкование как фактор урожайности и почвенного плодородия: монография / И. А. Шильников, В. Г. Сычёв, Н. И. Аканова, Л. С. Федотова. - 2008. -331 с.
