Восстановление антропогенно деградированных почв земель сельскохозяйственного назначения
Л.В. Кирейчева, д.т.н., Е.А. Лентяева, к.т.н.
ВНИИ гидротехники и мелиорации им. А.Н. Костякова, e-mail: kireychevalw@mail.ru
На основании анализа развития деградационных процессов в зонально-провинциальных почвах Европейской части России выбраны наиболее значимые показали, определяющие антропогенную деградацию почв. На основе обобщения исследований по оценке плодородия почв предложена модель энергетического состояния почвы, выраженная через коэффициент энергетического ресурса, позволяющая оценить утраченную энергию в зависимости от степени деградации почвы и определить количество органического вещества, необходимого для ее восполнения. Предложены специальные удобрительно-мелиорирующие смеси на базе сапропеля и торфа с добавлением минеральных веществ и специальных компонентов, обеспечивающие восполнение утраченной энергии и активизации процессов гумусообразования, которые прошли адаптацию в производственных условиях.
Ключевые слова: деградация почвы, модель энергетического состояния почвы, удобрительномелиорирующие смеси, сапропель, плодородие, гумусообразование.
RESTORATION OF ANTHROPOGENICALLY DEGRADED SOILS IN THE AGRICULTURAL LANDS
Dr. Sci. L.V. Kireycheva, PhD. E.A. Lentyaeva
ARSRI for Hydrotechnics and Melioration named after A.N. Kostyakov, e-mail: kireychevalw@mail.ru
The analysis of the degradation in the zonal and provincial soils in the European part of Russia resulted in the indication of the most significant parameters of soil degradation are given. On the basis of the researches summarizing for soil fertility estimation using energy approach to the determination of the soil energy status through the ratio of the energy coefficient estimating energy losses according to the degree of soil degradation as well as the amount of organic matter which is necessary for its replenishment has been proposed. Special fertilizingreclaiming mixtures on the base of sapropel and peat with mineral additives and special components to replenish energy losses and enhance the processes of humus formation, which have been tested in the field, are suggested.
Keywords: soil degradation, soil energetic condition tility, humus formation.
В настоящее время практически на всех зонально-провинциальных почвах наблюдается развитие деградационных процессов, что приводит к снижению природно-ресурсного потенциала агроландшафтов и к потере валового сбора сельскохозяйственных культур. Данные по состоянию плодородия почв, полученные при мониторинге пахотных угодий, предоставленные центрами и станциями агрохимической службы Минсельхоза России, свидетельствуют о достаточно большом количестве площадей подверженных деградации и требующих проведения восстановительных мелиоративных мероприятий. Из 97,2 млн. га обследованной пашни кислые почвы занимают 34,7%, или 33,7 млн. га, из 99,5 млн. га обследованной пашни по фосфатному режиму - 21,9 млн. га, или 22,0% земель характеризуются очень низким и низким содержанием подвижного фосфора, а на 937,7 тыс. га, или 0,9% наблюдается очень низкая обеспеченность подвижным калием. Результаты агрохимического обследования на органическое вещество показывают, что из обследованных 98,1 млн. га преобладают слабогумусированные и среднегумусированные почвы - 64,3 млн. га, что составляет 65,6% от обследованной площади [1].
На основе обобщения работ Д.С. Орлова, О.Н. Бирюковой, Н.И. Сухановой, С.А. Пегова, П.М. Хомякова, Т.Н. Елизаровой и др. [2-4] были выбраны наиболее информативные показатели антропогенной деградации почвы, включающие содержание гумуса (%), плотность - а (г/см3), кислотность – pHKCl, соотношение гуминовых кислот гумуса к фульфокислотам – Cгк/фк и NPK. Для всех зональнопровинциальных почв Европейской части России были выявлены области, соответствующие оптимальному состоянию, слабой, средней и сильной степени деградации. Данные по потерям гумуса и изменению кислотности в процессе деградации представлены на рисунке 1.
Для оценки энергетического ресурса почвы предложена модель [5], основанная на представлениях С.А. Пегова, П.М. Хомякова о продуктивности почвы [3]. Модель позволяет оценить коэффициент энергетического ресурса почвы в зависимости от выделенных показателей. Коэффициент энергетического ресурса почвы (Кэр) изменяется от 0 до 1, чем выше коэффициент, тем слабее деградационные изменения:
где: Гф – фактическое содержание гумуса в почве, %; Гmax – оптимальное содержание гумуса в почве, характерное для данных почвенно-климатических условий, %; ∆рН – отклонение значения рН от оптимального для данных почвенно-климатических условий; N, P, K – содержание элементов минерального питания в долях от оптимального значения доступных форм для данных условий; СГК/СФК – отношение содержания в почве гуминовых кислот к фульвокислотам.
В зависимости от степени деградации по выделенным показателям были рассчитаны коэффициенты энергетического ресурса зонально-провинциальных почв для оптимального состояния и различной степени деградации (рис. 2).
При оптимальных значениях основных анализируемых характеристик почв коэффициент энергетического ресурса практически для всех типов почв довольно высокий и составляет 0,76-0,96. Наибольшее значение наблюдается в почвах черноземного ряда и каштановых - 0,92-0,96, что связано с благоприятными условиями их формирования в естественных условиях. Эти почвы имеют значительный запас гумуса, хорошо выраженную буферную систему (высокие значения ППК) и высокоорганизованную структуру. В процессе деградации наблюдается снижение коэффициента энергетического ресурса. Наиболее подвержены деградации дерново-подзолистые и серые лесные почвы, при слабой степени деградации их коэффициенты энергетического ресурса снижаются в 2 раза и более до 0,35-0,37, при средней степени деградации они практически теряют свою продуктивность, что связанно с малым содержанием гумуса и с сильным нарушением кислотно-щелочного баланса. Достаточно низким энергетическим ресурсом обладают бурые полупустынные почвы, коэффициент энергетического ресурса при слабой степени деградации снижается до 0,45, это можно объяснить низким содержанием гумуса и развитием процессов осолонцевания. Энергетический ресурс у разновидностей черноземных почв, которые составляют более 50% пашни и являются достаточно плодородными, даже при слабой степени деградации изменяется от 0,67 до 0,92.
Предложенная модель позволяет оценить количество энергии, необходимое для восстановления деградированных почв до оптимального состояния показателей в зависимости от степени деградации, гибко учитывать последствия разных сочетаний агротехнических и мелиоративных воздействий по восстановлению плодородия почв и служить обоснованием проведения агромелиоративных мероприятий в различных природно-климатических зонах Российской Федерации.
Наиважнейшим фактором, влияющим на энергетическое состояние почвы, является наличие в ней органического вещества (гумуса). Однако на степень деградации почвы влияет не только количественный показатель содержания гумуса, но и соотношение гуминовых и фульвовых кислот, поскольку наличие именно гуминовых веществ в почве существенно определяет потенциальное почвенное плодородие и энергию почвенного гумуса. В работе О.Б. Хохловой [6] с учетом данных Д.С. Орлова [7] установлено, что при утрате равного количества гумуса разные типы почв теряют разное количество энергии. При одинаковых вещественных потерях гумуса на дерново-подзолистых почвах теряется 3,65 ГДж/т, серых лесных 5,26 ГДж/т, черноземах 5,57 ГДж/т, каштановых 4,95 ГДж/т, бурые полупустынные 4,80 ГДж/т.
Количество энергии, необходимое для восстановления почвенного плодородия сильно различается (табл. 1).
Наибольшие потери энергии при слабой степени деградации наблюдаются у дерново-подзолистых и серых лесных почвах. При средней степени деградации наибольшие потери энергии наблюдаются у почв черноземного ряда. Это свидетельствует об инерционности изменения состояния почв из-за их высокой буферности и высокоорганизованной структуры. В каждом конкретном случае с учетом имеющихся ресурсов решается задача, до какой степени и каким способом восстанавливать плодородие почвы.
Наиболее известный прием восстановления энергетического запаса почвы, а следовательно и плодородия, - внесение органических удобрений. Однако различные органические вещества обладают различной энергетической ценностью. По данным О.Б. Хохловой [6], содержание энергии в 1 т сухого вещества составляет: навоз бесподстилочный - 5,57 ГДж/т; торф верховой - 5,89; сидераты - 7,86; сапропель органический - 7,09; сапропель карбонатный - 3,31, торфяно-сапропелевая смесь - 4,93 ГДж/т. Внесение органических веществ (торф, навоз, сидераты и др.) позволяет поддерживать плодородие почвы на уровне потенциального, приобретенного в процессе почвообразования или созданного человеком. Использование минеральных удобрений и кальцийсодержащих мелиорантов обеспечивает создание эффективного плодородия, при котором внесенная антропогенная энергия полностью реализуется в виде урожая. Применение различных компостов и удобрительных смесей наиболее эффективный прием, увеличивающий запасы органического вещества в почве и повышающий ее потенциальную энергию, но в конечном итоге он вызывает ускоренную трансформацию в другие виды энергии, реализуемые в активизации почвенной биоты и повышении эффективного плодородия. В качестве наиболее приемлемого материала предлагается использовать удобрительные смеси, совмещающие достоинства минеральных и органических удобрений, содержащие в своем составе помимо органического вещества и основных макроэлементов гуминовые и биологически активные вещества, которые оказывают многогранное влияние на плодородие почвы, рост и развитие растений. Нами разработаны и прошли адаптацию в полевых условиях новые удобрительномелиорирующие смеси (УМС) и «Сапросил» на основе карбонатного сапропеля и торфа с добавлением минеральных веществ и специальных компонентов, позволяющие восполнить утраченную при деградации почвенную энергию и обеспечивающие прибавку урожая зерна ячменя почти на 60% [8]. УМС на основе сапропеля, торфа с добавлением минеральных удобрений содержат до 50% органического вещества, базовые элементы питания (общее содержание в сухом веществе): азот общий - 1,9-2,5%; фосфор общий - 1,2-1,6%; калий общий - 1,2-1,5%; кальций - 4-6%. Включают микроэлементы (в сухом веществе): медь - 30 мг/кг; марганец - 470 мг/кг; цинк - 60 мг/кг. УМС имеют влажность 30-50% и pHkci - 6,0-7,5. В отличие от навоза и торфо-навозных смесей они обеспечивает не только высокий удобрительный эффект, но и стимулируют процессы гумусообразования благодаря коллоидной фракции сапропеля, создают высокую водоудерживающую способность в почве и служат мелиорантом длительного действия (после внесения до 5-6 лет).
Расчеты показали, что для обеспечения эволюционирующего режима мелиорации потребуются следующие дозы внесения УМС: для дерновоподзолистых почв - 14 т/га при переводе почвы от средней степени деградации до слабой и порядка 27 т/га для доведения основных показателей почвы до оптимального состояния. Для серых лесных 18 и 22 т/га, для каштановых почв 13 и 10 т/га и для бурых пустынно-степных по 14 т/га соответственно (табл. 2).
Полученные результаты наглядно показывают, что деградационные процессы у всех типов почв развиваются по-разному, поэтому эффективность агромелиоративных мероприятий будет напрямую определяться типом почвы и степенью ее деградации.
Таким образом, предложенный подход позволяет не только оценить энергетические потери почвы при ее деградации, но и разработать комплекс агромелиоративных мероприятий к конкретному типу зонально-провинциальных почв, необходимый для восполнения утраченной при деградации энергии. Многокомпонентные органоминеральные смеси на основе сапропеля и торфа с добавлением минеральных удобрений и специальных компонентов позволяют обеспечить восстановление органического вещества, кислотности и элементов минерального питания почвы и стимулировать гумусообразование.
Литература
1. Доклад о состоянии и использовании земель сельскохозяйственного назначения. - М.: Росинформагротех, 2014. - 176 с.
2. Орлов Д.С., Бирюкова О.Н., Суханова Н.И. Органическое вещество почв Российской Федерации. - М.: Наука, 1996. -254 с.
3. Пегов С.А., Хомяков П.М. Моделирование развития экологических систем. -Л.: Гидрометеоиздат, 1991. -222 с.
4. Елизарова Т.Н., Казанцев В.А., Магаева Л.А., Устинов М.Т. Эколого-мелиоративный потенциал почвенного покрова Западной Сибири. - Новосибирск: Наука, 1999. - 237 с.
5. Кирейчева Л.В. Инновационные технологии повышения продуктивности мелиорируемых земель Барабинской низменности // Мелиорация и водное хозяйство, 2015, № 6. - С. 45-50.
6. Хохлова О.Б. Повышение плодородия малопродуктивных и деградированных почв удобрительномелиорирующими смесями на основе сапропелей: дисс. д.т.н. - М., 2007. - 302 с.
7. Орлов Д.С. Химия почв. - М.: МГУ, 1985. - 376 с.
8. Кирейчева Л.В., Яшин В.М. Эффективность применения органоминеральных удобрений на основе сапропеля // Агрохимический вестник, 2015, № 2. - С. 37-40.
()