Содержание к диссертации
Введение
1. Объекты, условия проведения опытов и методика исследований 19
1.1. Геоморфологические и климатические условия 19
1.2. Почвы и их свойства 22
1.3. Объекты и их свойства 28
1.4. Методика исследований 33
1.4.1. Методика полевых исследований 33
1.4.2. Аналитические методы исследований 36
1.4.3. Унификация методики определения лабильных гумусовых веществ в черноземах и межлабораторная воспроизводимость ее результатов 38
1.4.4. Метод определения оптимальных и критических параметров плодородия почвы 43
1.4.5. Методика разработки модели управления балансом органического вещества почвы 50
2. Энергетический потенциал органического вещества черноземов 58
2.1. Аккумулирование энергии в органических компонентах почвы (Обзор литературы) 58
2.1.1. Методические подходы к определению запасов энергии в компонентах органического вещества почвы 58
2.1.2. Запасы энергии в гумусовых веществах основных типов почв 66
2.1.3. Запасы энергии и ее трансформация в растительных остатках при разложении 70
2.2. Энергопотенциал органического вещества почвы, его определение и оценка 73
2.2.1 Понятия, принципы и система оценки энергопотенциала органического вещества почвы 73
2.2.2. Термодинамические характеристики гумусовых веществ чернозема типичного 91
2.2.3. Теплота сгорания лабильных компонентов органического вещества чернозема типичного в зависимости от антропогенных факторов и местоположения в рельефе 101
2.3. Влияние сельскохозяйственного использования и экспозиции склона на энергопотенциал органического вещества черноземных почв 110
2.3.1. Структура энергетического потенциала черноземов в зависимости от вида сельскохозяйственного использования и экспозиции склона 110
2.3.2. Оценка влияния агрогенных факторов на изменение энергии в активной части органического вещества чернозема типичного 122
2.4. Методика оптимизации структуры угодий в агроландшафтах с использованием энергопотенциала органического вещества почвы 132
3. Трансформация и устойчивость органического вещества почвы при сельскохозяйственном использовании 143
3.1. Теоретические аспекты связи состава органического вещества почвы с его устойчивостью, трансформацией и экологизацией земледелия 143
3.2. Особенности многокомпонентной системы органического вещества черноземов 154
3.3. Устойчивость органического вещества почвы 164
3.4. Влияние экспозиции склона и степени эродированности на количественный и качественный состав органического вещества черноземных почв 185
3.5. Трансформация состава органического вещества черноземов под воздействием агрогенных факторов 200
3.5.1. Влияние внесения органических и органо-минеральных удобрений, севооборотов и обработки почвы на количественный и качественный состав органического вещества чернозема типичного и его воспроизводство 200
3.5.2. Закономерности изменения содержания, состава и природы лабильных гумусовых веществ под влиянием различных обработок почвы 217
3.5.3. Оценка воздействия элементов систем земледелия на компоненты органического вещества черноземов 231
3.6. Оценка связи содержания и состава гумусовых веществ чернозема типичного с численностью, жизнедеятельностью микроорганизмов и с урожаем зерновых культур 235
4. Научные основы и управления воспроизводством органического вещества почвы и его энергопотенциалом 246
4.1. Теоретические аспекты проблемы и основные принципы, управления воспроизводством органического вещества в почве и его энергопотенциалом 247
4.2. Система управления воспроизводством и устойчивостью органического вещества почвы и его энергопотенциалом 262
4.2.1. Разработка системы мероприятий по управлению воспроизводством органического вещества почвы и его энергопотенциалом 264
4.2.2. Система оценки и контроля гумусного состояния черноземов 275
4.2.3. Прогнозирование изменения гумусного состояния и трансформации энергии органического вещества черноземов в агроландшафте 288
Заключение 301
Выводы 303
- Почвы и их свойства
- Энергопотенциал органического вещества почвы, его определение и оценка
- Особенности многокомпонентной системы органического вещества черноземов
- Система управления воспроизводством и устойчивостью органического вещества почвы и его энергопотенциалом
Введение к работе
Актуальность темы. Органическое вещество почвы является одним из основных естественных аккумуляторов и источников энергии на Земле. В связи с обострением экологической ситуации на планете, истощением и деградацией почв, в том числе и черноземных, низкой продуктивностью земледелия проблема изучения их энергетических ресурсов, рационального использования и управления ими становится чрезвычайно актуальной. Рядом исследователей определены запасы энергии в гумусе некоторых почв (Ковда, 1970, 1973; Волобуев, 1974; Алиев, 1978, 1980; Орлов, Гришина, 1981; Щербаков, Рудай, 1983), показана общепланетарная роль гумуса как колоссального геохимического аккумулятора, главного хранителя солнечной энергии на земной поверхности. Суммарные запасы энергии, связанной в гумусе почвенного покрова Земли, равны или несколько превышают количество энергии, накопленной надземной частью фитомассы суши (Ковда, Якушевская, 1971).
С экологических и агрономических позиций наряду с запасами энергии в гумусовых веществах важно и актуально оценивать и ту часть энергии органического вещества почвы, которая может быть мобилизована в процессе его трансформации, участвует в потоках вещества и энергии, используется живыми организмами для своей жизнедеятельности, а следовательно, определяет продуктивность сельскохозяйственных культур, влияет на почвенные процессы и плодородие.
При разработке адаптивно-ландшафтных систем земледелия необходимы оценка потенциала природных и антропогенных почвенных ресурсов и анализ энергетических процессов, протекающих в почве. Поэтому возникла необходимость в разработке вопроса об энергопотенциале органического вещества почвы, оценке органического вещества почвы как аккумулятора и источника энергии. Для современного земледелия актуальное значение имеет изучение естественных и антропогенных потоков энергии в агроландшафте.
Одним из условий выхода из экологического кризиса является экологизация земледелия, которая тесно связана с научно обоснованным и экологически целесообразным управлением воспроизводством органического вещества почвы и его энергопотенциалом.
Цель работы - исследовать энергетический потенциал органического вещества черноземов и разработать научные основы его воспроизводства для сохранения и повышения плодородия почв, улучшения их экологического состояния, обеспечения роста продуктивности и устойчивости земледелия.
Задачи исследований. Для достижения цели были поставлены и решены следующие задачи, каждая из которых имеет самостоятельное научное значение:
Разработать основные положения об энергетическом потенциале органического вещества почвы, методы его определения и оценки.
Определить стандартные термодинамические характеристики гумусовых веществ черноземов.
Изучить влияние агрогенных факторов и экспозиции склона на структуру энергопотенциала органического вещества черноземов.
Разработать методику оптимизации структуры угодий в агроланд-шафтах с использованием энергопотенциала органического вещества почвы.
Выявить закономерности влияния агрогенных факторов и местоположения в рельефе на трансформацию и устойчивость многокомпонентной системы органического вещества почвы.
Дать оценку связи содержания и состава гумусовых веществ чернозема типичного с численностью и жизнедеятельностью микроорганизмов и урожаем зерновых культур.
Разработать основные принципы и систему управления воспроизводством и устойчивостью органического вещества черноземных почв и его энергопотенциалом
8. Сформировать математические модели прогноза гумусного состояния и трансформации энергии органического вещества в черноземных почвах агроландшафта.
Основные защищаемые положения:
Понятия, принципы и система оценки энергетического потенциала органического вещества почвы.
Закономерности изменения структуры энергопотенциала органического вещества черноземов под воздействием агрогенных факторов и экспозиции склона в процессе сельскохозяйственного использования.
Закономерности трансформации и устойчивости многокомпонентной системы органического вещества черноземов в зависимости от степени их эродированности, под влиянием агрогенных факторов и экспозиции склона.
Количественная оценка связи содержания и состава гумусовых веществ чернозема с урожаем зерновых культур, численностью и жизнедеятельностью почвенных микроорганизмов.
Принципы и система управления воспроизводством органического вещества почвы и его энергопотенциалом.
Научная новизна. Впервые разработаны общие положения об энергетическом потенциале органического вещества почвы и его структуре, предложены методы определения и нормативный материал для их реализации. Представлена система оценки органического вещества почвы как аккумулятора и источника энергии в природных и антропогенно измененных ландшафтах.
Показаны количественные и качественные изменения энергетического потенциала органического вещества целинных черноземов при сельскохозяйственном использовании. Установлено влияние экологических факторов на его структуру.
С термодинамических позиций рассмотрена система органического вещества чернозема типичного и ее устойчивость. Определены стандартные термодинамические характеристики компонентов органического вещества черноземов. Выявлены закономерности воздействия различных факторов на теплоту сгорания гуминовых кислот. Разработаны модели трансформации энергии органического вещества почвы в агроландшафтах.
Выявлено, что основой устойчивого функционирования системы органического вещества черноземов является механизм обратной связи: при уменьшении в почве в составе органического вещества негумифицированно-го органического вещества увеличивается содержание лабильных гумусовых веществ и наоборот, при увеличении в почве негумифицированного органического вещества уменьшается доля лабильных гумусовых веществ. Отмечено явление "пульсирования" системы органического вещества почвы за ротацию севооборота, выражающееся в изменении уровня содержания в почве различных его компонентов и их соотношений. Предложен метод определения оптимального уровня содержания негумифицированного органического вещества в почве, обеспечивающего устойчивость системы органического вещества. Впервые изучено влияние обработок на элементный состав лабильных гуминовых кислот.
Представлен методический подход к регулированию энергопотенциала органического вещества на основе управления воспроизводством органического вещества черноземов, обеспечения устойчивости его структуры, анализа и оценки биоэнергетических процессов в почве. Получены 2 авторских свидетельства на изобретения (№12253662, №1528142) и патент на изобретение (№269535).
Практическая значимость и реализация результатов исследований. Разработаны "Методика определения и оценки структуры энергопотенциала органического вещества почвы" (2000), "Методика оптимизации структуры угодий в агроландшафте на энергетической основе" (2000), научные основы и система управления воспроизводством и устойчивостью органического вещества черноземных почв и его энергопотенциалом, нормативные материалы, обеспечивающие их реализацию. Разработка по регулирова- нию гумусного состояния черноземных почв удостоена Серебряной медали ВДНХ СССР.
Теоретические положения, методические подходы и результаты экспериментальных исследований использованы при подготовке десяти методик и методических рекомендаций по разработке систем земледелия на ландшафтной основе, по проектированию систем почвозащитного земледелия для районов распространения водной и водно-ветровой эрозии почв Европейской территории страны, программы планирования, закладки и проведения многофакторных опытов Географической сети для моделирования систем земледелия (1998), научно обоснованной системы ведения агропромышленного производства Курской области (1991), моделям управления балансом органического вещества почвы (1993).
Научно-методические разработки автора положены в основу четырех диссертационных работ аспирантов ВНИИ земледелия и защиты почв от эрозии и Курского государственного педагогического университета, выполненных и защищенных под ее руководством.
Представленная работа выполнена в рамках государственных задач ВАСХНИЛ, ГКНТ СССР, РАСХН и тематических планов ВНИИ земледелия и защиты почв от эрозии
Апробация работы. Результаты исследований докладывались и получили положительную оценку на годичном общем собрании Отделения земледелия и химизации сельского хозяйства ВАСХНИЛ (Москва, 1982), на II и III съездах Докучаеве кого общества почвоведов в Санкт-Петербурге (1996) и Суздале (2000), на Международных научных конференциях "Опустынивание и деградация почв" (МГУ, Москва, 1999), "Идеи В.В. Докучаева и современные проблемы сельской местности" (Москва - Смоленск, 2001), "Образование в решении экологических проблем" (Курск, 2001), на Всесоюзных научно-практических конференциях и совещаниях "Проблема гумуса в земледелии" (Новосибирск, 1986), "Плодородие черноземов в связи с интенсификацией их использования" (Одесса, 1986), " Проблема гумуса в земледелии и использование органических удобрений" (Владимир, 1987), Всероссийских научно-практических конференциях "Русский чернозем - 2000" (Белгородская обл., Прохоровка, 2000), на научно-практических конференциях Курского отделения общества почвоведов (Курск, 1989, 1995, 1997, 1999, 2001), научно-практической конференции, посвященной 25-летию ВНИИЗиЗПЭ (Курск, 1995), "Земледелие в XXI веке. Проблемы и пути их решения" (Курск, 2000), Международной научно-практической конференции, посвященной 20-летию ВНИПТИОУ (Владимир, 2001), на заседаниях Ученого совета ВНИИЗиЗПЭ.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 80 научных работ.
В.М. Володину
Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 393 страницах, состоит из введения, четырех глав, заключения, выводов, предложений производству и научно-практическим учреждениям, включает 90 таблиц, 16 рисунков и 47 приложений. Библиографический список включает 463 наименований, из них 74 зарубежных авторов.
Автор признательна чл.-корр. РАСХН, доктору с.-х. наук за долгое плодотворное сотрудничество, предоставленную самостоятельность в решение научных вопросов и консультативную помощь.
Все научные положения диссертации разработаны лично автором, экспериментальная работа выполнена совместно с сотрудниками лаборатории агропочвоведения главными специалистами С.Я. Гатиловой, А.А. Ермаковой, н.с. В.В. Шеховцовой, ст. агрономом В.А. Бурыкиным. Автор глубоко благодарна им за сотрудничество, помощь в работе и выполнение химических анализов почв, а также коллективу лаборатории агропочвоведения за поддержку и всем сотрудникам ВНИИЗиЗПЭ, обеспечивающим функционирование многофакторного полевого опыта.
В.Ф. Юринской благодарна. и д.с.-х.н. Б.М. Когутом, которым автор искренне
В диссертации использованы результаты совместных исследований с к.б.н
Автор выражает глубокую признательность академику РАСХН А.П. Щербакову за консультативную помощь и ценные советы при подготовке работы.
Почвы и их свойства
Почвенный покров изучаемых полевых опытов представлен в основном черноземами типичными мощными или среднемощными среднегумус-ными среднесуглинистыми, иловато-крупнопылеватыми, черноземами типичными слабосмытыми среднесуглинистыми, черноземами типичными сла-босмытыми тяжелосуглинистыми, черноземами типичными среднесмытыми тяжелосуглинистыми, черноземами выщелоченными среднесуглинистыми, черноземами выщелоченными слабосмытыми среднесуглинистыми иловато-крупнопылеватыми. Описание почвенных разрезов, проведенные автором, представлено в приложениях 1-6. Черноземные почвы полевых опытов обладают высоким естественным плодородием, которое обусловлено формированием черноземов под лугово-степной травянистой растительностью. Они содержат в основном достаточное количество питательных веществ, доступных для растений. Однако сельскохозяйственное использование чернозема, эрозионные процессы оказали существенное влияние на плодородие почвы: уменьшилось содержание гумуса, сократилась мощность гумусового горизонта, ухудшились агрохимические, агрофизические и биологические свойства. Перед закладкой многофакторного полевого опыта была изучена статистическая характеристика содержания гумуса в черноземах типичных и выщелоченных разной степени смытости. Для ее определения на территории опыта были отобраны образцы почв в пахотном горизонте по сетке с шагом опробования 50, 60, 90 м (комплексная работа с лаб. теории, методики и систем земледелия) и в метровой толще через 10 см с шагом опробования 13 м. Статистическую обработку полученных данных проводили методом, описанным Е.А. Дмитриевым (1972). Общий гумус определяли по методу И.В. Тюрина (1974). Было проанализировано более 600 образцов почвы. Установлено, что распределение содержания гумуса в пахотном слое изучаемых почвах можно рассматривать как нормальное, отличия от него незначимы (табл. 2). Полученные коэффициенты асимметрии и эксцесса недостоверны. Статистическая характеристика содержания гумуса в пахотном слое черноземов в блоках плодородия и бессменных посевах, на полях 1-4 многофакторного полевого стационарного опыта представлена в таблице 2. Анализ статистических данных свидетельствует о близких значениях среднего арифметического, максимального и минимального содержания гумуса в пахотном слое исследованных почв и уровней их варьирования в пространстве. Содержание гумуса в почве среднее и изменяется от 4,71% до 5,70%, в среднем составляет 5,20 + 0,04%. Установлены наиболее часто встречающиеся его значения (модальный класс).
Анализ статистических данных показывает сложный характер изменения содержания гумуса в пахотном слое чернозема типичного в полях 2, 3, 4 по склону и поперек его. Средние значения содержания гумуса вниз по склону уменьшаются, но в нижней его части возрастают. На поле 1 и участке с бессменными посевами к северо-востоку отмечается снижение средних значений гумуса до 5,42 + 0,10%. Составлена картограмма содержания гумуса в пахотном слое чернозема типичного северной экспозиции блока плодородия. На общем фоне с содержанием гумуса в почве 5,2% в поле 2, 3, 4 встречаются отдельные участки с 5,0 и 5,4% гумуса. В западной части поля 1 отмечается повышенное содержание гумуса 5,4-5,6%. В пахотном слое почв эрозионного блока (северная экспозиция) содержание гумуса колеблется от 4,5 до 5,9% в зависимости от подтипа и степени смытости. Коэффициент вариации - 4,24-5,35%. Содержание гумуса в пахотном слое черноземов южной экспозиции изменяется от 4,50 до 5,41%. Следует отметить большую мощность гумусового слоя и высокую обогащенность карбонатами в нижней части склона. Вскипание от 10% НС1 наблюдается с поверхности. Для получения средних значений содержания гумуса при уровне вероятности р=0,95 в пахотном горизонте изучаемых почв необходимо производить отбор образцов в блоке плодородия из 6 точек, в эрозионном блоке — из 7. Количественных и качественный состав гумуса черноземов типичных и вещелоченных разной степени эродированности, его изменение в зависимости от различных факторов и оценка их гумусного состояния рассматривается подробно в третьей главе диссертации. Некоторые химические и физико-химические свойства чернозема типичного мощного среднесуглинистого при закладке многофакторного опыта представлены в таблице 3. Дана агрохимическая характеристика пахотных горизонтов изучаемых почв на водораздельном плато, на северном и южном склонах многофакторного полевого опыта (табл. 4). Реакция солевой вытяжки колеблется от 5,9 до 6,0 на склоне северной экспозиции и водораздельном плато и близка к нейтральной, а на склоне южной экспозиции наблюдается тенденция к подщелачиванию почвы. Исследуемые почвы характеризуются достаточно высокими уровнями содержания подвижных фосфатов и калия. Сумма обменных оснований на склоне южной экспозиции на 10-16% выше, чем на северном склоне и водораздельном плато, однако содержание обменного магния на склоне южной экспозиции в 1,5-1,6 раза ниже. Наименьшее содержание подвижного калия отмечено в почве на северном склоне, что вероятно связано с процессами выщелачивания. Снижение подвижности фосфатов в почве южного склона возможно определяется ее подщелачиванием (табл. 4). Агрохимические характеристики чернозема типичного среднесмыто-го тяжелосуглинистого в опыте по изучению высоких доз органических удобрений представлены в таблице 5. В целом, агрохимический состав почв изучаемых полевых опытов показывает, что они являются типичными для лесостепной зоны Центрально-Черноземной полосы. Территория ОППХ достаточно типична для Центрально-Черноземной зоны. 1.3 Опыты и их описание Многофакторный полевой опыт ВНИИЗиЗПЭ находится на водораздельном плато и склонах северной и южной экспозиции крутизной 1-5. Опыт заложен в 1984-1985 годах.
Исследования проводились в зернопаро-пропашном (черный пар - озимая пшеница - сахарная свекла - ячмень) и зернотравяном (травы многолетние — травы многолетние - озимая пшеница - ячмень + травы) севооборотах на вариантах без удобрений и с внесением 1 раз в ротацию 48 т/га навоза или 1 раз в ротацию 48 т/га навоза + NPK под культуру ежегодно с применением отвальной или безотвальной (плоскорезной) обработок почвы (табл. 6). Дозы удобрений под культуры зернопаропропашного и зернотравяного севооборотов указаны в таблице 7. Глубина обычной вспашки почвы и плоскорезной обработки - 20-22 см, под сахарную свеклу - 28-30 см. На территории многофакторного полевого опыта находятся приво-дораздельная, водорегулирующие и прибалочные лесополосы 1980 года посадки. Лесные полосы состоят из смеси евро-американских гибридов тополя «Робуста - 236» и «Заря». Данные гибриды относятся к подроду бальзамического тополя, отличаются свето- и влаголюбием, требовательны к плодородию почвы. В период исследований тополевые лесополосы отличались резко выраженной дифференциацией по высоте и диаметру стволов, усыханием нижних боковых ветвей во внутренних рядах. Результаты лесоводственно-таксационной оценки лесополос на различных элементах склона показывают, что средняя высота лесополос варьирует в пределах 14,5-20 м, средний диаметр — 15,1-30,2 см, средний запас древесины - 166-672 м /га. Крайние значения таксационных показателей отмечены в прибалочных лесополосах на склонах северной и южной экспозиций. Средний прирост по высоте колебался в пределах 0,83-1,2 м, по диаметру - 0,89-1,78 см, по запасу -10-40 м3. Наилучшей производительностью отличался тополь в прибалочной лесополосе на склоне север-ной экспозиции. Средний прирост по запасу составил 39-40 м /га, что в 2,6-4 раза больше, чем в такой же лесополосе на склоне южной экспозиции. Сохранность насаждений на момент учета составила 36-62%; количество деревьев на единицу площади колебалась по вариантам от 1194 до 2083 шт./га, что близко и даже несколько превышает рекомендуемую в этом возрастном периоде (1,1-1,3 тыс. шт./га). Залежь расположена ниже водорегулирующей лесополосы на склоне северной экспозиции, не пашется с 1983 года. Растительность - разнотравно-злаковая. Почва — чернозем типичный среднесуглинистый. Луг находится в нижней части склона южной экспозиции. Растительность разнотравно-злаковая. Почва - чернозем типичный среднесуглинистый. Полевой четырехлетний опыт ВНИИЗиЗПЭ заложен на северном и южном склонах крутизной 1-3 в 1980 году. Исследования проводились в четырехпольном зернопаропропашном севообороте с промежуточными культурами на вспашке, плоскорезной и минимальной обработках.
Энергопотенциал органического вещества почвы, его определение и оценка
Анализ научной литературы показал, что во второй половине XX века основное внимание почвоведы и экологи уделяли оценке аккумулятивной энергетической функции гумусовых веществ. В то же время функция гумуса как источника и экономного распределителя энергии фактически не изучена, хотя играет важную роль в формировании потоков вещества в биогеоценозах, эффективного плодородия почв, в обеспечении жизнедеятельности живых организмов, в том числе и высших растений. Источником энергии в почве кроме гумуса является и негумифицированное органическое вещество. Показателем, отражающим и оценивающим аккумулятивную энергетическую функцию органического вещества почвы, может быть энергопотенциал, так как по общепринятому определению потенциал - это средства, запасы имеющиеся в наличии, которые могут быть мобили зованы и использованы для достижения определенной цели, решения ка кой-либо задачи. Сформированы принципы и требования к энергетическому потенциалу органического вещества почвы (Q). 1. В основе методического подхода к определению Q должен быть системно-структурный анализ, так как органическое вещество почвы представляет систему и имеет структурную организацию. 2. Энергопотенционал органического вещества почвы должен соответствовать общепринятому понятию потенциала. 3. Q необходимо быть максимально информативным и обеспечивать: - оценку органического вещества почвы как аккумулятора энергии; - определение различных по степени доступности видов энергии; - исследование биоэнергетических процессов, протекающих в почвах ландшафтов. 4. В зависимости от целей и назначения целесообразно разработать два метода определения Q: для применения в научных исследованиях и при выполнении научно-практических работ. 5. Необходимо разработать систему оценки энергопотенциала органического вещества почвы. Приставка "био" используется потому, что живые организмы (биологические преобразователи энергии) участвуют в процессах трансформации органического вещества почвы. Исходя из выше изложенного, и с учетом предложенного нами подхода к выделению компонентов системы органического веществ почвы, актуального с экологических и агрономических позиций (более подробно этот вопрос рассматривается в разделе 3.2), следует изучать запасы энергии в компонентах органического вещества, различающихся по степени связи с минеральной частью почвы и устойчивостью к биодеградации. В связи с этим, многокомпонентная система органических и собственно гумусовых веществ почвы рассматривается как состоящая из инертного гумуса, лабильных гумусовых веществ, микробной биомассы и негу-мифицированного органического вещества. Следует подчеркнуть, что органическое вещество почвы - это сложная открытая система, находящаяся в постоянном массо- и энергообмене с окружающей средой.
Поэтому и согласно определению потенциала, энер-гопотенционал органического вещества почвы - это количество энергииt заключенное в инертном гумусе, лабильных гумусовых веществ, микробной биомассе и негумифицированном органическом веществе. Энергопотенционал органического вещества почвы представляет сумму энергии в инертном гумусе, лабильных гумусовых веществах, негумифицированном органическом веществе в исследуемом слое почвы на единице площади, измеряется в гДж/га, кДж/м . Как указывает А.П. Куликов (1996), в гумусе удерживается высококачественная форма свободной энергии, способная совершать работу, не снижая энтропии почв. По степени доступности можно выделить три вида энергии, заключенной в органическом веществе почвы: 1. труднодоступная (связанная) энергия инертного гумуса; 2. среднедоступная (потенциально-активная) энергия активной части гумусовых веществ (лабильных гумусовых веществ и микробной биомассы); 3. легкодоступная (активная) энергия негумифицированного органического вещества почвы. Очевидно, что доступность энергии определяется степенью связи органического вещества с минеральной частью почвы и количеством энергии, которое потребуется на ее разрушение. Количество энергии, выделяемое в процессе трансформации лабильных гумусовых веществ, негумифицированного органического вещества и при смене популяций микроорганизмов и вовлекаемое в биологический круговорот вещества и потоков энергии (ДЭ) характеризует органическое вещество почвы как источник энергии. Исходя из определения энергопотенциала органического вещества почвы, целесообразно и более информативно для исследования энергетического состояния почв изучать его структуру. Под СТРУКТУРОЙ ЭНЕР-ГОПОТЕНЦИОНАЛА органического вещества почвы понимается взаимоотношение и связь его составных частей. В нее входят запасы энергии в абсолютных или относительных единицах (по отношению к энергопотенциалу органического вещества почвы) в инертном гумусе, лабильных гумусовых веществах, в микробной биомассе и показатели связи его составных частей: показатель активности энергетических процессов; глубина гумификации лабильных гумусовых веществ; коэффициент устойчивости гумусовых веществ. Аккумулятивную энергетическую функцию гумусовых веществ характеризуют запасы энергии в них. Запасы энергии в лабильных гумусовых веществах и микробной биомассе свидетельствуют о потенциальной способности гумусовых веществ как источника энергии. Запасы энергии в негумифицированном органическом веществе позволяют оценить легкодоступную энергию органического вещества почвы. Показатель активности энергетических процессов представляет отношение количества энергии, выделяемой в процессе трансформации ла- бильной части органического вещества почвы к энергопотенциалу (формула 26). Глубина гумификации лабильного гумуса определяется по отношению запасов энергии в лабильных гуминовых кислотах к запасу энергии в фульвокислотах (формула 27). Коэффициент устойчивости гумусовых веществ почвы представляет произведение отношений запаса энергии в лабильных гумусовых веществах к запасу энергии в инертном гумусе и запаса энергии в органическом веществе почвы к запасу энергии в гумусе (формула 28). Нами разработаны и изложены ниже два метода определения структуры энергопотенциала органического вещества почвы, которые можно использовать для системного анализа и количественной оценки энергетических процессов, протекающих в природных ландшафтах и агроландшаф-тах, а также для оценки почвенных ресурсов.
Особенности многокомпонентной системы органического вещества черноземов
Нами, в отличие от имеющихся подходов, в лабильной части органического вещества почвы предлагается выделять лабильные гумусовые ве- щества, микробную биомассу и негумифицированное органическое вещество. Тогда органическое вещество почвы рассматривается как многокомпонентная система (рис. 7, 8), состоящая из: 1) лабильных гумусовых веществ (лабильные гуминовые кислоты и лабильные фульвокислоты) — инертного гумуса (в данном случае условно инертного, т.к. в него входят и потенциально-лабильные гумусовые вещества) — негумифицированного органического вещества (модель 1); 2) лабильных гумусовых веществ - микробной биомассы — инертного гумуса - негумифицированно го органического вещества (модель 2). Между всеми компонентами системы существуют взаимосвязи (рис. 7). В системе гумусовых веществ черноземов наиболее трансформируемой фракцией являются лабильные гумусовые вещества, извлекаемые 0,1 н раствором NaOH из свежей почвы или почвы, подвергнувшейся 7 -дневному компостированию в термостате при оптимальных влажности и температуре почвы (60% от общей влагоемкости почвы и + 26-28С). К ним относятся молодые формы гумуса, непрочно связанные с минеральной частью почвы и обогащенные азотом. Молодые формы гумуса, которые непрочно связаны с минеральной частью почвы, содержат повышенное количество азота (C:N не более 12) и способны относительно быстро трансформироваться и освобождать азот для растений. Наиболее активной фракцией органического вещества почв является негумифицированное органическое вещество. К негумифицированному органическому веществу относятся растительные остатки, находящиеся в почве и не утратившие своего анатомического строения. Инертный гумус определяется по разности между содержанием в почве общего гумуса и лабильных гумусовых веществ. При этом способе определяется условно инертный гумус, так как в него входят и потенциально-лабильные гумусовые вещества. Нами была предпринята попытка определения потенциально-лабильных гумусовых веществ.
Для этого необходимы многолетние (не менее 1 ротации севооборота) наблюдения за содержанием в почве лабильных гумусовых веществ и общего гумуса. За величину инертного гумуса принималась минимальная разность между содержанием в почве гумуса и лабильных гумусовых веществ. По разнице между содержанием условно инертного гумуса и инертного гумуса можно найти величину потенциально-лабильных гумусовых веществ. Эта величина изменчива во времени. Исследования показали, что лабильные и потенциально-лабильные гумусовые вещества в черноземах типичных слабосмытых на пашне составляют 8-20% от собственно гумусовых веществ, а на залежи 19-28%. Причем на пашне 3-9% составляют лабильные и 5-11% потенциально- лабильные гумусовые вещества, а на залежи соответственно, 8-13% и 11-16%, т.е. отмечена тенденция к большему содержанию в составе гумусовых веществ потенциально-лабильных гумусовых веществ, чем лабильных (Володин, Масютенко, Юринская, 1988). Возможно, что микробная биомасса является частью потенциально-лабильных гумусовых веществ. При современных методиках определения органический углерод (или общий гумус) включает в себя и углерод микробной биомассы, т.е. учитывается живая субстанция. Поскольку микробная биомасса является одним из главных компонентов активной фракции органического вещества, существенным резервуаром питательных веществ и одновременно вьшолняет посредническую функцию в трансформациях важнейших элементов питания растений, обладает высокой энергоемкостью, ее необходимо рассматривать и учитывать как составляющую органического вещества почвы. Лабильные гумусовые вещества, инертный гумус и негумифициро-ванное органическое вещество различаются по скорости разложения, строению, по своей природе, по степени связи с минеральной частью почвы, по устойчивости к биодеградации. В почвах круговорот углерода происходит большей частью по пути обновления лабильного гумуса (лабильного гумусового вещества). Растительные остатки и лабильные гумусовые вещества образуют легкометабо-лизируемую фракцию почвенного органического вещества. По данным Ф.Я. Багаутдинова (1994), период обновления подвижных гумусовых веществ чернозема типичного составляет 180±14 лет, общего гумуса - 450±20 лет, стабильного (или инертного) на 30-40 лет больше. Пожнивно-корневые остатки в течение одного года минерализуются на 65-75%, через 3 года - на 80-86%, через 5-6 лет - на 82-87%. Таким образом, скорость обновления лабильного в 2,5 раза выше, чем общего гумуса. Развитие микробного населения зависит от поступления субстрата и показывает черты инактивированной популяции: она имеет большое время круговорота ( 1,5 года) и очень медленную скорость дыхания, ей свойственно высокое содержание АТФ (Brookes, Jorgenwen, Jenkinson, 1990). Однако скорости круговорота биомассы, разрушающейся при +25 и 15 С гораздо большее - соответственно 62 и 139 дней, т.е. оборачиваемость ее в летнее время достаточно высока, 4-5 поколений. В слое 0-25 см чернозема типичного мощного тучного среднесуглинистого содержание органического вещества — 10,3 %, общего гумуса -очень высокое (9,2%). На целине в составе органического вещества чернозема типичного мощного среднесуглинистого (в слое 0-25 см) инертный гумус составляет 68-72%, лабильные гумусовые вещества 10-18%, негумифицированное органическое вещество 10-16% (рис. 8). В составе лабильного гумуса (табл. 48) преобладают фульвокислоты (Слгк:Слфк=0,55-0,66). В черноземе типичном мощном среднегумусном среднесутлинистом на пашне в слое 0-25 см уровень содержания собственно гумусовых веществ, негумифицированного органического вещества, лабильных гумусовых веществ ниже, чем на целине, соответственно на 25-52%, в 2-24 раза, на 33-50% в зависимости от степени эродированности почв и местоположения их в рельефе. Качественный состав лабильных гумусовых веществ в пахотных черноземах ухудшается: соотношения СДПООПФК уменьшаются на 20-26%, степень гумификации на 16-19%.
Следует отметить особенно резкое снижение в черноземных почвах на пашне негумифицированного органического вещества (в 2-24 раза). Это связано с меньшим поступлением растительных остатков в почву из-за их отчуждения с основной и побочной продукцией, а также с усилением процессов их разложения при увеличении аэрации почвы, вызванным частыми и глубокими обработками ее сельскохозяйственной техникой. Распределение содержания компонентов и групп органического вещества в черноземе типичном можно рассматривать как нормальное, отличия от него незначимы. Наименьшим варьированием отличается содержание гумуса в пахотных черноземах, оно изменяется от 1,4 до 3,9%, в среднем 2,4%. С глубиной (табл. 49) изменчивость содержание гумуса в черноземе увеличивается до 6,4-13,4%, что обусловлено неравномерным распределением гумуса в данных горизонтах (АВ). При морфологическом описании разреза на этих глубинах отмечены затеки гумуса, языковатость и т.п. Наибольшая изменчивость в пространстве в черноземных почвах отмечена у негумифицированного органического вещества, коэффициенты вариации составляют 15-35%. Коэффициенты вариации содержания лабильных гумусовых веществ в пахотном слое исследуемых почв изменяется от 5,2% до 18,6%, лабильных гуминовых кислот - от 8,4% до 26,2% в зависимости от местоположения в рельефе и глубины. Изменчивость со- держания лабильных гумусовых веществ и лабильных гуминовых кислот в пространстве выше на склоне южной экспозиции (табл. 50). Углерод микробной биомассы в составе органического вещества чернозема типичного в слое 0-20 см составляет 2,0-2,2% (рис. 8), коэффициенты вариации его в почве колеблются от 2,5% до 16,5%. Предложенный подход к выделению компонентов системы органического вещества почвы наиболее актуален с агрономических позиций.
Система управления воспроизводством и устойчивостью органического вещества почвы и его энергопотенциалом
На основе разработанных нами принципов предложена система управления воспроизводством органического вещества почвы (рис. 16), включающая: — разработку системы мероприятий по управлению воспроизводством органического вещества почвы и его энергопотенциала; — оценку и контроль за гумусным состоянием и энергопотенциалом органического вещества почвы; — прогнозирование изменения гумусного состояния и энергопотенциала органического вещества черноземов в агроландшафте. Ее отличает комплексный подход, основанный на достижении оптимальных или оптимально допустимых параметров гумусного состояния и энергопотенциала органического вещества почвы, учете, оценке, контроле и прогнозировании изменения их фактического состояния. При этом регулирование осуществляется внесением органических удобрений, посевом многолетних трав, снижением минерализации гумуса в результате внедрения почвозащитных обработок и поддержания в почве на оптимальном или оптимально-допустимом уровне содержания негумифицированного органического вещества при введении в севообороты пожнивных, промежуточных и сидеральных культур, компостировании соломы и т.п., а также повышением эффективности гумификации свежего органического вещества, поступающего в почву, при обеспечении в нем оптимального соотношения C:N и улучшения качественного состава. Это снижает потребность в навозе на 35%. энергопотенциала, плодородия почвы, охраны окружающей среды и снижение потребности хозяйства в навозе. Объектом управления является органическое вещество почвы, это: гумусовые вещества, негумифицированное органическое вещество, лабильные гумусовые вещества - и его энергопотенциал. Основными управляющими воздействиями (средства управления) будут: изменение структуры угодий (залужение, отведение под залежь), внесение в почву органических удобрений (навоза, компостов, торфа, соломы, в том числе компостирования ее), возделывание в севооборотах многолетних трав, промежуточных культур, в том числе на зеленое удобрение; минимализация обработок. На склоновых почвах в условиях проявления эрозионных процессов проведение противоэрозионных мероприятий (для устранения лимитирующего фактора) должно предшествовать управлению воспроизводством органического вещества почвы и его энергопотенциала.
Разработка системы мероприятий по управлению воспроизводством и устойчивостью органического вещества почвы и выбор управляющих воздействий производится на основе моделей управления с учетом начального гумусного состояния почвы, уровня планируемых урожаев сельскохозяйственных культур, достижения бездефицитного или положительного баланса гумуса, требуемого оптимального содержания негумифицирован-ного органического вещества, лабильных гумусовых веществ, гумуса, реальных возможностей и ресурсов хозяйства для каждого конкретного участка поля. С учетом вышеуказанных принципов разработаны математические модели управления устойчивостью и воспроизводством органического ве- щества в пахотных почвах на основе методики построения модели управления балансом органического вещества и биологическими свойствами почвы (Володин, Масютенко, Юринская, 1987), системного анализа, методов моделирования с использованием сформированных нами ранее моделей управления балансом органического вещества в пахотных почвах за счет оптимизации их гумусного состояния, получать планируемые стабильные урожаи сельскохозяйственных культур высокого качества, обеспечивать воспроизводство плодородия почв и охрану окружающей среды.. При построении модели выделены границы моделируемой системы, определены основные требования к модели (критерии качества модели), разработаны ограничения на применение. При конструировании моделей использовано количественное описание системы органического вещества в черноземах, сформированные нами ранее модели управления балансом органического вещества почвы (Володин, Масютенко, Юринская, 1990), данные по изменению в черноземах содержания лабильных гумусовых веществ и негумифицированного органического вещества в зависимости от применения органических и минеральных удобрений, севооборотов и обработки почвы, оценка влияния управляющих воздействий на органическое вещество почвы. Модели состоят из 25 математических уравнений в основном балансового типа. Проведена проверка адекватности моделей на фактическом материале. Воспроизводимость моделей достаточно высокая 10-25%. На их основе разрабатывается система мероприятий по управлению воспроизводством и устойчивостью органического вещества почвы. 1 этап. Разработка мероприятий для достижения уравновешенности процессов минерализации и гумификации органического вещества в пахотной почве В начале рассчитывается баланс гумуса в почве по формулам 97, 98. Для небобовых культур при невысоких дозах азотных минеральных удобрений при у N 10 15 МУ БГ={0,1 К1 К6[(а1+а) у+в1+в]+ОУ К5-Ю,0086 Ы" [(а1+а) у+в1+в]+0,00125 ОУ+0,01 МУ-0,0172 y N K2 K3} ( 1 -Ко) (97) Для небобовых культур при высоких дозах азотных минеральных удобрений npny N 10 15 МУ БГ = {0,1 К, К6[(а1+а) у+в,+в]+ОУ К5+0,0086 Ы",[(а1+а) у+в,+в]+ +0,00125 Oy+0,01 N y-0,0172 y N K2 K3} (l-K0) (98) На чистом пару БГ= -100 К4 Гчп п 1 (99) Если баланс гумуса в почве оказывается дефицитным, то рассчитывают дозы внесения органических удобрений под сельскохозяйственные культуры и под чистый пар для уравновешивания процессов минерализации и гумификации органического вещества в почве.
При определении доз органических удобрений и баланса гумуса учитываются уровни планируемых урожаев возделываемых культур, количество пожнивно-корневых остатков, поступающих в почву, вынос N культурой, количество азотных минеральных удобрений, гранулометрический состав почвы, применяемая обработка. БГ ОУ нав = 0 при БГ 0 (100) Ks ОУнав = Oy S (т) (101) Рассчитанные дозы по навозу пересчитывают на любые виды органических удобрений по формуле 102 ОУ нав К5 ОУ= — (102) Затем определяют баланс гумуса под многолетними травами, бобовыми и сидеральными культурами БГ =0,1 К1 К6[(а,+а) у+в1+в]+ОУ К5+0,0086 Км[(а1+а) у+в1+в]+0,00125 ОУ+0,01 МУ+0,0172 y N AN-0,0172 у И К2 Кз+0,004Усид (103) Если БГ 0, то БГ=БГ (1+Ко) (104) Если БГ 0, то БГ=БГ (1-Кл) (105) К5 На каждом участке в севообороте суммируют значения положительных балансов гумуса и затем определяют количество органических удобрений, компенсируемое накоплением гумусовых веществ под многолетними травами, бобовыми и другими культурами. ХБГ ОУкомп = 5— при БГ 0 (106) Кб Это количество органических удобрений высчитывают из определенных доз органических удобрений в севообороте. ОУтр=ОУ,+ОУ2+ОУ3-ОУкомп (107) После этого определяют общие потребности хозяйства в навозе, запасы в нем имеющихся органических удобрений и сравнивают их между собой по гумификационной ценности . П=ЦОУтр,+ОУтр2+...+ОУтрп) (108) ГЦП=К5 ЦОУтр,+ОУтр2+.. .+ОУтрп) (109) ГЦЗ=ОУ1 К5+ОУ2 К5+...+ОУт К5 (110) Если ГЦП ГЦЗ, то есть когда хозяйство не обладает достаточным количеством органических удобрений для поддержания бездефицитного баланса гумуса в почве, необходимо увеличение посевных площадей под многолетними бобовыми травами, сидеральными бобовыми культурами и почвозащитными обработками. Почвозащитные обработки внедряют под зерновые культуры, ранее планируемые под вспашку. Можно применять поверхностное компостирование соломы после зерновых культур с учетом потребности в ней хозяйства для других целей. 2 этап. Оценка содержания гумуса в почве
