Содержание к диссертации
Введение
I Роль агрохимических средств в системе управления почвенным плодородием, продуктивностью севооборотов и экологической обстановкой 12
1.1 История и современное состояние вопроса изменения плодородия почв, продуктивности и качества сельскохозяйственных культур под влиянием антропогенных факторов
1.2 Экологические аспекты использования средств химизации 70
II Почвенно-климатические условия, программа и методики проведения исследований
2.1 Краткая характеристика почвенно-климатических условий ЦЧЗ 90
2.2 Почвенно-агрохимические и метеорологические исследования в Каменной Степи
2.3 Метеорологические условия в годы проведения исследований 113
2.4 Программа и методика проведения исследований 116
III Антропогенная эволюция плодородия чернозема обыкновенного 131
3.1 Мониторинг органического вещества 132
3.2 Мониторинг фосфорного состояния 143
3.3 Мониторинг калийного состояния 156
3.4 Мониторинг физико-химических свойств 163
IV Приемы регулирования плодородия черноземов ЦЧЗ 170
4.1 Влияние агрохимических средств на изменение содержания гумуса в почве
4.2 Влияние агрохимических средств на азотный режим почвы 186
4.3 Влияние агрохимических средств на фосфатный режим почвы 205
4.4 Влияние агрохимических средств на калийный режим почвы 222
4.5 Влияние агрохимических средств на физико-химические параметры почвы
V Изменение агрофизических свойств почвы под воздействием средств химизации
5.1 Водный режим почвы 249
5.2 Агрегатный состав (количество водопрочных агрегатов) 260
5.3 Плотность почвы (объемная масса), удельный вес (удельная масса) 267
VI Биодинамика чернозема в зависимости от различных систем удобрения
6.1 Микробиологическая активность почвы 272
6.2 Ферментативная активность почвы 293
VII Агроэкологическая и радиологическая оценка плодородия почвюго-востока ЦЧЗ
7.1 Аккумуляция биогенных элементов и тяжелых металлов почвой 298
7.2 Экологическая оценка применения удобрений и кальцийсодержа-щих мелиорантов
7.3 Радиологическая оценка состояния черноземных почв 335
VIII Эколого-агрохимическая оценка растениеводческой продукции 339
8.1 Накопление макроэлементов растениями в зависимости отприменяемых средств химизации 339
8.2 Аккумуляция тяжелых металлов растениями под воздействием агрохимических средств
8.3 Аккумуляция нитратов в растениях под влиянием различных условий минерального питания
IX Влияние агрохимических средств на продуктивность севооборотов и качество продукции
9.1 Влияние различных систем удобрения на продуктивность севооборотов
9.2 Влияние средств агрохимии на качество продукции 381
X Влияние различных уровней питания на размер выноса и баланс элементов питания в севооборотах. Коэффициенты использования питательных веществ из удобрений
10.1 Вынос и баланс макроэлементов при различных системах удобрения севооборотов
10.2 Вынос и баланс тяжелых металлов 407
10.3 Коэффициенты использования питательных веществ из удобрений 413
XI Энергетическая оценка применения агрохимических средств в севооборотах
Выводы 424
Предложения производству 432
Список использованной литературы 434
Приложения 506
- Экологические аспекты использования средств химизации
- Почвенно-агрохимические и метеорологические исследования в Каменной Степи
- Влияние агрохимических средств на азотный режим почвы
- Экологическая оценка применения удобрений и кальцийсодержа-щих мелиорантов
Введение к работе
Экономический рост и благосостояние государства в огромной степени зависит от эффективности функционирования АПК. Основой земледелия является плодородие пахотных почв, его сохранение и воспроизводство. Многолетними научными исследованиями и мировой практикой управление плодородием почв и минеральным питанием растений агрохимическими средствами признано безальтернативным. Среди факторов, повышающих продуктивность севооборотов и урожайность сельскохозяйственных культур на долю минеральных, органических и известковых удобрений приходится 65-75%, остальное принадлежит обработке почвы, средствам защиты растений, сортам и т.д.
Результаты сплошного агрохимического обследования и мониторинга плодородия показывают проявление деградации почв через ухудшение агрохимических характеристик сельскохозяйственных угодий: дегумификация пахотного слоя, нарушение баланса питательных элементов вследствие превышения их выноса с урожаем над возвратом с удобрениями, усиление кислотности, агрофизическая деградация, биологическое обеднение. Ежегодный вынос питательных веществ из почв пашни в результате сельскохозяйственной деятельности в 5 раз превышает возврат их с вносимым объемом удобрений, который составляет в настоящее время по России 1,4 млн. т д.в. Негативные процессы в стране не обошли и Центрально-Черноземные области, являющиеся эталоном содержания гумуса в почве.
Кризисное состояние большинства сельскохозяйственных предприятий, отсутствие у них финансов для приобретения средств химизации из-за диспаритета цен на промышленную и сельскохозяйственную продукцию привело к снижению объемов внесения в почву минеральных и органических удобрений, снижению продуктивности сельскохозяйственных культур, а, следовательно, ухудшению продовольственного обеспечения населения страны, потере продовольственной безопасности. Для намеченного производства сельскохозяйственной продукции на 2010 г. и обеспечения сохранения плодородия почв объем применения минеральных удобрений должен составить 8,56 млн. т д.в. В обстановке ограниченных ресурсов сохранение агроэкосистем в устойчивом состоянии и одновременное поддержание почвенного плодородия требует дальнейшего совершенствования использования средств химизации, разработки технологий применения дешевых местных сырьевых ресурсов в качестве удобрений, оптимизированных биоорганоминеральных систем удобрения, обеспечивающих высокий агроэкологический и экономический эффект. Несмотря на известные сведения об эффективности традиционных и нетрадиционных удобрений до последнего времени накоплено недостаточно данных многолетних стационарных полевых опытов с длительным систематическим применением агрохимических средств в севооборотах, проведение которых основано на комплексном подходе к изучению процессов взаимодействия удобрений с почвой и растениями, дающих достоверную информацию, приближенную к производственным условиям.
В последнее время появился ряд исследователей, как в России, так и в зарубежных странах, указывающих на небезопасность внесения в почву удобрений, из-за содержания в них определенных количеств примесей тяжелых металлов, высказываются опасения о накоплении их подвижных форм в пахотном слое, способного привести к загрязнению растениеводческой продукции. В связи с этим возникает необходимость агроэкологической оценки состояния почв и растений в условиях длительного применения удобрений.
Цель исследований. Дать комплексную эколого-агрохимическую оценку состояния чернозема юго-востока ЦЧЗ и разработать приемы управления почвенным плодородием с помощью различных сочетаний агрохимических средств в севооборотах, обеспечивающие устойчивую продуктивность агроэкосистем и получение экологически безопасной продукции. Задачи исследований;
- провести мониторинг органического вещества, фосфорного, калийного состояния и основных физико-химических свойств чернозема обыкновенного юго-востока ЦЧЗ;
- разработать приемы регулирования гумуса, азотного, фосфатного, калийного режимов и физико-химических параметров с помощью различных агрохимических средств;
- дать агроэкологическую и радиологическую оценку плодородия почв, эколого-агрохимическую оценку растениеводческой продукции;
- выявить роль различных систем удобрений в повышении продуктивности севооборотов и качества продукции;
- установить размер выноса макро-, микроэлементов и тяжелых металлов культурами агроценозов, баланс элементов питания в изучаемых агро-экосистемах;
- определить энергетическую эффективность применяемых приемов окультуривания.
Научная новизна. Впервые на черноземах Каменной Степи проведен мониторинг гумусового состояния за 110-летний период, мониторинг запасов валового фосфора, калия, подвижных фосфатов, обменного калия, кальция и установлена направленность трансформационных процессов различных форм этих элементов, дан прогноз их содержания в агроландшафтах к середине XXI века. Получены новые данные аккумуляции микроэлементов, тяжелых металлов, радионуклидов в почве и растениях и на их основе дана аг-роэкологическая и радиологическая оценка концентрации этих элементов в системе почва - растение.
В почвенно-климатических условиях юго-востока ЦЧЗ систематизированы многолетние результаты стационарных опытов применения удобрений и химических мелиорантов. Определены параметры систем удобрений в севооборотах, обеспечивающие оптимизацию питания растений, устойчивую продуктивность сельскохозяйственных культур и экологическую безопасность окружающей среды.
Проведенные и обобщенные исследования позволяют научно обосновать закономерности создания различных уровней плодородия чернозема обыкновенного при использовании возобновляемых ресурсов агроэкосисте-мы, эффективно и рационально применять дешевые местные удобрения. Дефицит кальцийсодержащих удобрений можно восполнить нетрадиционными мелиорантами: дефекатом, карбонатом кальция. Получены данные, показывающие характер питательного режима почвы, химический состав растений при использовании природных почвоулучшителей - цеолитов.
Установлены количественные характеристики приходных и расходных статей между внесением удобрений и потреблением питательных веществ агрофитоценозами севооборотов и интенсивность баланса основных элементов минерального питания, органического вещества и тяжелых металлов почвы. Изучены изменения азота, фосфора и калия в севооборотах с целью получения положительного баланса, обоснованного энергетически.
Защищаемые положения.
1. Основные закономерности изменения почвенного плодородия в условиях юго-востока ЦЧЗ при антропогенном использовании.
2. Роль агрохимических средств в системе управления почвенным плодородием и продуктивностью агробиоценозов.
3. Балансовые параметры систем применения удобрений в севооборотах, обеспечивающие воспроизводство плодородия почв, рост продуктивности сельскохозяйственных культур и экологическую безопасность окружающей среды.
4. Агроэкологическая оценка агроландшафтов по содержанию тяжелых металлов и радионуклидов, эколого-агрохимическая оценка растениеводческой продукции.
5. Биодинамика и агрофизические свойства чернозема в зависимости от различных систем удобрений. 6. Энергетическая оценка приемов сохранения плодородия чернозема обыкновенного.
Практическая значимость. Полученные экспериментальные результаты достоверно подтверждены сохранением почвенного плодородия, повышением продуктивности агроэкосистем и являются практической основой для эффективного применения комплекса агрохимических средств при возделывании основных сельскохозяйственных культур в условиях севооборота для юго-востока ЦЧЗ.
Разработаны экологически безопасные системы применения удобрений, обеспечивающие воспроизводство плодородия почв, получение с 1 га пашни 4,0-6,5 т кормовых единиц. Теоретической их основой являются установленные количественные параметры баланса органического вещества, азота, фосфора, калия и кальция в агроценозах, связи агрохимических свойств почв с урожайностью сельскохозяйственных культур и продуктивностью севооборотов.
Выявлены микроэлементы (цинк, медь, кобальт, молибден), низкое содержание которых в почве позволяет отнести их к лимитирующему фактору роста урожайности сельскохозяйственных культур, что необходимо учитывать при разработке системы применения удобрений. Результаты исследований могут быть использованы для оценки обеспеченности почв микроэлементами и расчете потребности растений в микроудобрениях при выращивании сельхозкультур в ЦЧЗ.
Теоретические положения и результаты экспериментальных исследований использованы при разработке «Системы ведения агропромышленного производства Воронежской области до 2010 года» (Воронеж, 2005), а также нашли отражение в рекомендациях «Рациональное применение удобрений в Центрально-Черноземной зоне» (Каменная Степь - Санкт-Петербург, 2001), «Технология применения минеральных удобрений на черноземах юго-востока ЦЧЗ» (Каменная Степь - Санкт-Петербург, 2003). Проведенные исследования включены в проектную документацию ФГУ станции агрохимической службы «Таловская» при разработке систем применения удобрений в севооборотах сельскохозяйственных предприятий Воронежской области, прошли производственную проверку в ОАО «Искра», ООО «Греф», колхозе «Заря», КФХ «Надежда», ГУП ОПХ «Докучаевское».
Апробация работы. Результаты исследований докладывались на Всероссийских координационных совещаниях учреждений Географической сети длительных опытов с удобрениями и другими агрохимическими средствами (Москва, 1998, 2003); на симпозиуме «Лизиметрические исследования в агрохимии, почвоведении, мелиорации и агроэкологии» (Москва - Немчиновка, 1999); на IV, VI, VII, X Международных научно-практических конференциях «Проблемы сельскохозяйственного производства на современном этапе и пути их решения» (Белгород, 2000, 2002, 2003,2006); на Всероссийской научно-практической конференции «Системы воспроизводства плодородия почв в ландшафтном земледелии» (Белгород, 2001); на Международной научно-практической конференции «Экологически безопасные технологии в сельскохозяйственном производстве XXI века» (Владикавказ, 2000); на 2-й Международной научно-практической конференции «Машинные технологии дифференцированного применения удобрений и мелиорантов» (Рязань, 2001); на Международной научно-практической конференции «Ученые Нечерноземья на службе сельского хозяйства» (Москва - Немчиновка, 2001); на Международной научной конференции «Агрохимические аспекты повышения продуктивности сельскохозяйственных культур» (Москва, 2002); на Всероссийской конференции «Устойчивость почв к естественным и антропогенным воздействиям» (Москва, 2002); на Всероссийской научно-практической конференции «Теория и практика использования агрохимических средств в современном земледелии Центрально-Черноземных областей России» (Белгород, 2002); на Всероссийской научно-практической конференции «Агро-экологические проблемы сельскохозяйственного производства в условиях техногенного загрязнения агроэкосистем» (Казань, 2002); на Международной научной конференции «Эволюция научных технологий в растениеводстве» (Краснодар, 2004); на Международной научно-практической конференции «Агроэкологические функции органического вещества почв и использование органических удобрений и биоресурсов в ландшафтном земледелии» (Владимир, 2004); на региональной конференции «Состояние и перспективы развития земледелия, агролесомелиорации и экономики землепользования в АПК ЦЧЗ» (Каменная Степь - Санкт-Петербург, 2004); на II Международной конференции «Современное приборное обеспечение и методы анализа почв, кормов, растений и сельскохозяйственного сырья» (Москва, 2004); Территориальном координационном совете (Каменная Степь, 2006).
Основные положения и результаты исследований диссертации опубликованы в 54 печатных работах, в том числе 16 научных статьях центральной печати, 3 книгах (коллектив авторов), 2 рекомендациях сельскохозяйственному производству.
Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 580 страницах машинописного текста, состоит из введения, 11 глав, основных выводов, предложений производству. Текстовая часть работы иллюстрирована 128 таблицами, 20 рисунками и 2 схемами. Список использованной литературы включает 708 наименований, в том числе 78 на иностранных языках. Приложения содержат 67 таблиц и 6 актов о внедрении НИР.
Исследования проводились в соответствии с программой государственных заданий, включенных в план НИР ГНУ НИИСХ ЦЧП им. В.В.Докучаева РАСХН по проблемам 0.51.01.03.01.Н1, 0.51.02.01.Н8, 0.51.02.01.Н8а, 05.01.01, 02.03.01. В работе обобщены результаты многолетних собственных исследований соискателя и, кроме того, согласно решения научно-методического совета технологического центра, автором проведено обобщение имеющегося в отделе агрохимии материала.
Пользуясь случаем хочу выразить самую глубокую признательность научному консультанту, доктору сельскохозяйственных наук, профессору Рымарю В.Т. за ценные советы и замечания, сделанные при выполнении ис следований и написании диссертации. Благодарю доктора сельскохозяйственных наук, профессора Покудина ГЛ., кандидатов сельскохозяйственных наук Годунова И.Б., Новичихина A.M. за консультативную помощь и содействие в проведении исследований, приношу искреннюю благодарность соавторам публикаций и сотрудникам отдела агрохимии, принимавшим участие в работе в разные годы: Новичихину A.M., Беспаловой Н.С., Агафонову Д.Н., Авдеевой В.В., Дубровиной О.В., Мамедову СВ., Мельниковой Э.К., Коробову АЛ. и др. Благодарю Калабухову Т.А. за помощь в расчетах энергетической эффективности.
Экологические аспекты использования средств химизации
Антропогенная деятельность является определяющей в деградации современных ландшафтов. Ее последствия выражаются в нарушении и уничтожении растительности, почвенного покрова, загрязнении окружающей среды (почвы, воды, воздуха) отходами промышленности, пестицидами, ядохимикатами, применяемыми в сельском хозяйстве. Одним из опаснейших, негативных результатов взаимодействия человека с природой является глобальное загрязнение окружающей среды. Самое страшное последствие техноге-неза - разрушение озонового слоя планеты, защищающего всю биосферу от деградации и гибели. Снижение содержания озона над территорией Российской Федерации за последние десять лет составило 4%, что приводит к увеличению вредной ультрафиолетовой радиации. Человечество продолжает производить огромные количества токсичных химикатов, которые не поддаются естественному распаду и отравляют окружающую среду (Павловский Е.С., 2000). Опасно постоянное загрязнение грунтовых вод, рек, морей не только пестицидами, но и сточными водами в результате промышленной и сельскохозяйственной деятельности. Пищевые цепи связывают между собой химический состав почв, воды, растений, животных, человека, потребляющих растительную и животную пищу, при этом концентрация токсичных веществ в каждом новом звене пищевой цепочки оказывается примерно в 10-15 раз выше предыдущего звена (Ковда В.А., 1989). Основные загрязняющие вещества - бензапирен, диоксид азота, формальдегид, фенол, фторид водорода - в промышленных городах достигают концентраций, превышающих ПДК в 1,5-2 раза. Разовые концентрации при залповых выбросах превышают ПДК в 10 раз (Государственный доклад..., 1997). Для того, чтобы выделить антропогенные изменения на фоне естественных (природных), возникла необходимость в организации специальных наблюдений за состоянием гео- и биосферы под влиянием человеческой деятельности.
Систему повторных наблюдений одного и более элементов окружающей среды в пространстве и во времени с определенными целями в соот ветствии с заранее подготовленной программой предложено называть мониторингом в 1972 году накануне Стокгольмской конференции ООН по окружающей среде. Мониторинг включает наблюдение за состоянием и факторами, воздействующими на окружающую природную среду, оценку состояния окружающей природной среды (Рулев А.С., 2000). В настоящее время в государственной сети мониторинга окружающей среды проводятся наблюдения за загрязнением воздуха в городах и промышленных центрах, почв пестицидами и тяжелыми металлами, поверхностных вод суши и морей, трансграничным переносом веществ, загрязняющих атмосферу, за загрязнением природной среды и состоянием растительности, химическим составом и кислотностью атмосферных осадков и снежного покрова, фоновым загрязнением атмосферы, радиоактивным загрязнением природной среды (Обзор загрязнения..., 1998). Загрязнение воздушного бассейна является ключевым фактором, оказывающим негативное воздействие на состояние природной среды. По данным Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ), от 40 до 50% заболеваний человека в наше время связаны с ростом экологического напряжения. В числе городов Российской Федерации с наибольшим уровнем загрязнения "атмосферного воздуха - Москва, Новосибирск, Иркутск, Самара, Ростов-на-Дону, Саратов, Ставрополь, Улан-Удэ, Волгоград, Абакан. Больше всего городов с высоким и очень высоким уровнем загрязнения атмосферы расположено в Иркутской,
Московской, Самарской и Оренбургской областях, где сконцентрированы крупнейшие предприятия химической, нефтехимической, металлургической промышленности, машиностроения. На этих территориях наблюдается в 1,5 раза выше детская смертность от пневмонии. Особую опасность представляет загрязнение атмосферного воздуха свинцом, соединения которого используются в качестве антидетонационных присадок к бензину. В городах с интенсивным движением автотранспорта содержание свинца в атмосферном воздухе достигает 6 мкг/м3. Другими крупнейшими источниками поступления свинца в окружающую среду явля ются предприятия по производству металлов, цемента, сжиганию каменного угля. С выбросами промышленных предприятий в атмосферный воздух в городах России поступает от 1,1 до 1,6 тыс. т свинца. Свинец обладает выраженным влиянием на нервную систему и зрение. Результаты расчетов свидетельствуют о том, что почти у 2 млн. детей в городах России могут возникать проблемы в поведении и обучении, обусловленные воздействием свинца (Окружающая среда..., 1995). По данным С.И.Цыганюк (1998), автотранспортное загрязнение обнаруживается на расстоянии до 100 м от автотрассы, что обусловлено разносом металлов воздушными потоками в виде аэрозолей. По данным З.И.Маланиной (2000), уровень загрязнения воздуха аграрных территорий в целом невысокий, определенную опасность представляют крупные животноводческие комплексы, которые создают зоны высокого загрязнения в радиусе 3-6 км. Комплекс по откорму 10 тыс. голов КРС загрязняет воздух выделениями аммиака, сероводорода и меркаптана на расстоя-нии до 5 км, содержание 0,5 мг/м (50 ПДК) аммиака обнаружено в атмосфере на расстоянии 0,7 км от источника и 0,44 мг/м3 (44 ПДК) в 2-3 км. Свиноводческий комплекс на 100 тыс. голов выбрасывает в атмосферу каждый час 1,5 млрд. микробных тел, 159 кг аммиака, 14,5 кг сероводорода, 25,9 кг пыли от кормов. На расстоянии 1,5 км от источника содержание выбросов превышало ПДК в 40 раз, 3,5 км - в 22 раза. Специфический запах распространяется на 3,5-5,0 км. В воздушном бассейне птицефабрики обнаружено на расстоянии 0,5 км 3640 микробов на 1 м3, 1 км - 870-2500, 3 км - 74. Около 80-90% микроорганизмов относятся к числу болезнетворных (стафилококки, кишечная палочка). По данным метеорологического синтезирующего центра «Восток», загрязнения территории России свинцом и кадмием от других стран более чем в 10 раз превышает загрязнения территории этих стран поллютантами от российских источников, что обусловлено доминированием западно-восточного переноса воздушных масс. Выпадения свинца на европейской территории России (ЕТР) ежегодно составляют от источников Украины около 1100 т,
Польши и Белоруссии 180-190 т, Германии более 130 т. Выпадения кадмия на ЕТР от объектов Украины ежегодно превышают 40 т, Польши почти 9, Белоруссии около 7, Германии более 5 (О состоянии окружающей природной среды..., 1998). Эколого-токсикологическая оценка почв сельскохозяйственных угодий на содержание тяжелых металлов, остаточных количеств пестицидов, нитратов и других токсикантов осуществлена агрохимической службой Минсельхозпрода России на площади 40 млн. га, в том числе тяжелые металлы на 31,1 млн. га. Данные свидетельствуют, что загрязнение почв остаточными количествами пестицидов в целом остается на опасном уровне, что связано с многочисленными нарушениями санитарных и природоохранных требований при применении, транспортировке и хранении пестицидов. В результате обследований выявлено 1,4 млн. га земель сельскохозяйственного назначения, загрязненных тяжелыми металлами: доля земель, загрязненных элементами I класса опасности, составляет около 2%, из элементов II класса опасности «лидирует» медь (3,8%) (Маланина З.И., 2000). В целом по России средняя концентрация всех определяемых тяжелых металлов не превышает 0,5 ПДК (ОДК) содержания валовых форм тяжелых металлов в почвах. Коэффициент варьирования по отдельным элементам находится в пределах 69-93%, за исключением коэффициента варьирования величин валового содержания кадмия, достигающего 132%. Среднее содержание свинца в песчаных и супесчаных почвах составляет 6,75±0,58 мг/кг, в почвах суглинистого и глинистого гранулометрического состава - 9,60±0,47 мг/кг. Содержание меди, цинка, кадмия находится в пределах 0,5-1,0 ОДК. При уменьшении кислотности почв происходит увеличение содержания валового цинка (Агрохимическое и агроэкологическое состояние почв, 2001). Ежегодно каждый квадратный метр поверхности почвы поглощает около 6 кг химических веществ (свинец, кадмий, мышьяк, медь, цинк, оксиды углерода, азота). Загрязнение почв ТМ в среднем по России на 1.01.2000 г. составляет: хромом - 1,3, мышьяком - 1,2, никелем - 0,8 и свинцом - 0,7% (Немцев Н.С., 2003). А.Л.Иванов (2003) констатирует, что в общем загрязнении доля тяжелых
Почвенно-агрохимические и метеорологические исследования в Каменной Степи
Каменная Степь - так называют земли, занимаемые Научно-исследовательским институтом сельского хозяйства Центрально-Черноземной полосы им. В.В.Докучаева. Свое название она получила, по мнению Ф.Н.Милькова (1992), скорее всего за сухость, безводне, за потрескавшиеся в летнюю жару глинистые почвы, за свое бесплодие в нередкие здесь засушливые годы. Каменная Степь размещается на юго-востоке Воронежской области, к югу от районного центра Таловая, на Битюжско-Хоперском междуречье. Ее местоположение в переходной, слабо выраженной в рельефе, полосе от Калачской возвышенности к Окско-Донской низменной равнине определяет общий уклон поверхности в северном направлении. Абсолютные отметки колеблются от 204 м между поселками Осиновый и Михино до 117 м в долине Чиглы. Переходный характер от возвышенности к низменности ярко проявляется в геологическом строении
Каменной степи: писчий мел, пески и глины верхне- и нижнемелового возраста, обнажающиеся в балке Таловой, быстро погружаются в северном направлении, где вместо них по склонам балок прослеживаются палеогеновые пески и глины (Миль-ков Ф.Н., 1992). Первые почвенные, агрохимические и метеорологические исследования в Каменной Степи были проведены в 1892-1894 гг. «Особой экспедицией лесного департамента Министерства земледелия и государственных иму-ществ по испытанию и учету различных способов и приемов лесного и водного хозяйства в степях России», руководимой В.В.Докучаевым. По словам В.В.Докучаева, задача экспедиции сводилась к попытке реставрировать черноземные степи - общепризнанную житницу России. В работе экспедиции принимали участие многие крупные ученые того времени, в том числе почвоведы К.Д.Глинка и Н.М.Сибирцев, которые заведовали почвенными и геологическими исследованиями. Метеорологическими наблюдениями руководил Н.И.Адамов, геоботанические исследования вел Г.И.Танфильев, зооло гические - А.А.Силантьев. Организация опытов по изучению влияния лесных полос и искусственного орошения была поручена проф. П.Ф.Баракову. «Организация самих по себе метеорологических станций среди почти девственной природы является уже громадною заслугой Особой экспедиции» -пишет проф. П.Ф.Бараков. К.Д.Глинка и Н.М.Сибирцев в 1893 году под руководством В.В.Докучаева составили первую почвенную карту Каменной Степи, на которой выделены три группы почв: черноземы, солонцы и солонцеватые черноземы, пойменные почвы днищ балки Таловая и Озерки. Они дали общую картину почв, анализов же было сделано мало. Более детальное описание этих почв имеется в работах К.Д.Глинки (1913,1921,1924). В напечатанных «Трудах Особой экспедиции» собран богатый фактический материал изучения природы степей, а также практические результаты приемов их реставрирования: регулирование рек, оврагов, балок; структура сельхозугодий, определяющая относительные площади пашни, леса, лугов и вод; определение оптимальных приемов обработки почвы.
В течение периода 1893-1911 гг. существования опытного лесничества все внимание было сосредоточено на лесных посадках, вопросом изменения почв под влиянием лесополос и в степи не занимались. В марте 1911 года в Каменной Степи учредили опытную станцию им. В.В.Докучаева, руководителем которой был Р.Г.Заленский. Ее программа являлась продолжением программы экспедиции проф. В.В.Докучаева. Работа почвенного отдела станции была направлена на изучение и описание почвенного покрова территории, влияния микро- и макрорельефа на почвенный состав, изменения водно-физических и агрохимических показателей в различных биоценозах (залежь, лесополоса, пахота), роль удобрений в процессах почвенного плодородия (Труды Каменно-степной ... станции, 1914). Почвоведом с 1911 по 1920 гг. был М.М.Теплов, который отобрал почвенные образцы, но не успел их проанализировать, т.к. с началом гражданской войны участвовал в компании по заготовке сена. С 1921 года заведовал почвенным отделом Г.М.Тумин, ученик К.ДХлинки, ставший в последующем профессором. Он дал тщательное описание почв Каменной Степи, поднимал новые вопросы научного исследования, применял новые приемы исследования почв. После отъезда Р.Г.Заленского в Польшу с 1922 по 1930 год Г.М.Тумин был директором Ка-менно-Степной опытной станции. В 1921-1925 гг. работы по внесению фосфорнокислых удобрений и выявлению их влияния на урожайность зерновых культур проводил Е.И.Якушков с лаборанткой Л.К.Слефогт, консультантом по агрохимическим опытам был профессор Воронежского СХИ Ф.В.Чириков. Федор Васильевич при изучении эффективности вносимых удобрений на целине, обороте пласта и старопашне установил факт резкого обеднения доступной фосфорной пищей почвы пласта в связи с биологическим связыванием фосфора в недоступную форму. Им установлено, что фосфорные удобрения эффективнее на целине, обороте пласта, азотные удобрения - на пашне. Оазис лесных полос Каменной Степи считается самым ценным наследием Особой экспедиции. Работа по влиянию лесных полос на почвенные показатели была выполнена Г.М.Туминым с сотрудниками почвенного отдела Каменностепной опытной станции: П.Г.Адерихиным - самым способным его учеником, который отлично изучил почвы Каменной Степи, М.И.Кармановой, Н.В.Сергиевской, когда лесонасаждения достигли в среднем 30-летнего возраста.
Они детально изучили влияние лесополос на почву, климат, растительность и урожай сельскохозяйственных культур. Ими было установлено, что почва межполосных пространств Каменной Степи по сравнению с открытой степью больше содержит гумуса, отличается повышенной мощностью перегнойного горизонта. Отмечено изменение структуры почвы под лесными полосами, она приобрела ясно выраженную ореховатость, понижение глубины залегания карбонатов и линии вскипания от действия соляной кислоты, снижение насыщенности почв основаниями, повышение величины актуальной и гидролитической кислотности. По данным Г.М.Тумина (1930) и ГЬГ.Адерихина (1953), максимальное количество гумуса оказалось на почвах залежных участков среди лесных полос, несколько меньшее - в почвах лесных полос и наименьшее - в почвах открытой степи (табл. 9). Лесные полосы оказали положительное влияние на накопление гумуса в почвах как внутри полос, так и в почвах межполосного пространства, т.е. здесь создаются благоприятные гидротермические и биологические условия почвообразования, аккумуляция органических веществ протекает интенсивней, чем в открытой степи (Адерихин П.Г., 1967). Это подтвердили В.П.Байко, А.СГорбуленко (1949), Н.Н.Никанорова (1953), П.Г. Адерихин (1970). Таблица 9 - Валовой гумус в почвах, % (Тумин Г.М., 1930; Адерихин П.Г.,
Влияние агрохимических средств на азотный режим почвы
Формирование высоких и относительно устойчивых урожаев сельскохозяйственных культур хорошего качества возможно лишь при создании в почве достаточных запасов усвояемых питательных веществ. Проблема оптимизации питательного режима почвы является важной составной частью общей проблемы разработки оптимальных параметров ее свойств. Выявление желательного азотного, фосфорного и калийного уровней - очередная задача агрохимии, так как избыток или недостаток этих элементов в почве отрицательно влияет на продуктивность культур. На формирование питательного режима доминирующее влияние оказывают почвенные процессы, протекающие под влиянием сложного взаимодействия влагообеспеченности, температурного режима, физико-химических параметров. Важнейшим фактором получения стабильных урожаев сельхозкультур на всех типах почв России является обеспечение растений азотом на протя жении всего периода вегетации.
Проблема азота была и остается в обозримом будущем одной из центральных проблем земледелия. Д.Н.Прянишников (1945) на основе анализа развития земледелия отмечал, «...что главным условием, определяющим среднюю высоту урожая в разные эпохи, была степень обеспеченности сельскохозяйственных растений азотом». А.А.Шмук (1914), Д.Н.Прянишников (1945, 1952), И.В.Тюрин (1956), А.Н.Лебедянцев (1960), А.В.Петербургский (1965), Ф.В.Турчин (1972), Н.А.Сапожников (1973), Д.А.Кореньков (1976), П.М.Смирнов (1977) заложили теоретические основы и разработали практические предложения по эффективному использованию азота почв и удобрений. В связи со спецификой поведения азота в почве, высокой подвижностью, обобщений по его содержанию, аналогичных фосфору и калию, до 80-х годов двадцатого столетия не проводили. Тем не менее трудами многих отечественных и зарубежных исследователей удалось установить, что урожай сельхозкультур и эффективность азотных удобрений находятся в определенной зависимости от обеспеченности почв усвояемыми соединениями азота (Гамзиков ГЛ., 1989; Шафран С.А., 1995; Marshner Н., 1995; Miller A.J., 1996; Державин Л.М., 1998; Соколов О.А., 1998; Amarasinghe В.Н., 1998: Мальцев В.Г., 2000; Осипов А.И., 2001; Барсуков П.А., 2003). Основную роль в азотном питании растений играет минеральный азот, непосредственным источником которого являются нитратные и аммонийные формы.
По этому поводу Д.Н.Прянишников (1945) писал: «Если мы сумеем осуществить оптимальные для каждого источника азота условия, то придем к принципиальному признанию их равноценности с физиологической стороны». Суммарное содержание доступного растениям минерального азота составляет небольшой процент от общего азота в почвах (1-3%). Нитратная форма - основной источник азотного питания растений, однако, запасов нитратного азота в почве значительно меньше, чем фосфатов и обменного калия. В азотном балансе в земледелии, безусловно, огромная роль принадлежит органическим и минеральным удобрениям. Д.Н.Прянишников (1945) пи сал, что «без радикального изменения степени навозообеспеченности наших полей нечего и думать о том, чтобы создать нормальное соотношение между приходной и расходной частью баланса азота и других питательных веществ в земледелии». За вековой период (1901-2000 гг.) производство азотных удобрений возросло в 118 раз. В процессе минерализации органического вещества в почве образуется 30-50 кг/га минерального азота, из которого 20-35 кг/га усваивают растения. В настоящее время с минеральными удобрениями вносится 2-4 кг/га азота (Осипов А.И., 2001). Такой низкий уровень применения азотных удобрений ведет к снижению плодородия почв, падению продуктивности сельскохозяйственных культур и ухудшению качества урожая.
Поэтому основными направлениями исследований по проблеме азота в земледелии ЦЧЗ на ближайшие годы являются дальнейшее совершенствование приемов рационального использования азота почв и удобрений в расчете на бездефицитный и интенсивный баланс его в агроценозе, изучение баланса азота при систематическом внесении органических, минеральных, органо-минеральных систем удобрений и кальцийсодержащих соединений. В результате проведенных исследований за динамикой N-N03 в слое почвы 0-40 см в агроэкосистеме зернопропашного севооборота (табл. 38) установлено, что содержание нитратного азота в черноземе обыкновенном выше под культурами непосредственного внесения минеральных туков. Так, под сахарной свеклой, кукурузой, под которые в севообороте вносились рекомендуемые дозы удобрений, в среднем за 22 года отмечается максимальная аккумуляция нитратов. Под озимой пшеницей, использующей удобрения в последействии от внесения их под кукурузу, содержание нитратного азота снижается в 2 раза. Содержание N-NO3 в почве также зависит от состава аг-роценоза, концентрация нитратного азота определяется предшествующей культурой севооборота. Озимая пшеница, идущая после азотонакопителя -гороха, являющегося источником биологического азота в результате фиксации его из воздуха, располагает удвоенными запасами минерального азота в Таблица 38 - Содержание и запасы нитратного азота в слое почвы 0-40 см под культурами зернопропашного севооборота в среднем за 1966-1988 гг
Экологическая оценка применения удобрений и кальцийсодержа-щих мелиорантов
Кларк бора (В) в почвах равен 10 мг/кг, где он встречается главным об-разом в форме борной кислоты и борат иона ВОз", которые связаны со щелочными и щелочноземельными металлами, органическим веществом, глинистыми минералами и полуторными оксидами. Эти соединения в разной степени участвуют в питании растений, но наиболее усвояемыми являются водорастворимые соли борной кислоты щелочных и щелочноземельных металлов, на долю этой фракции приходится в среднем 10% от общего количества бора в почве (Куркаев В.Т., 2000). По мнению P.Cornillon (1967), существуют три механизма фиксации бора в почвах: анионный обмен, молекулярная адсорбция и химическое осаждение. Нерастворимые формы микроэлемента служат резервом, из которого они постепенно поступают в почвенный раствор. А.П.Виноградов (1957) считает, что органическое вещество не фиксирует бор, поэтому растворимые соединения его легко вымываются в нижние горизонты. По данным М.В.Каталымова (1965), только 25% его связано в черноземах с органическим веществом, поэтому в отличие от многих микроэлементов валовой бор не коррелирует с гумусом. Характер распределения валового бора определяется не столько органическим веществом, рколько значительной стабильностью и инертностью минералов его и миграцией растворимых соединений в почвенных условиях. Определенное влияние оказывают и такие показатели, как величина рН, гранулометрический состав (содержание глины), гидролитическая кислотность и сумма поглощенных катионов. Бор относится к наиболее важным для растений микроэлементам. Благодаря способности изменять физико-коллоидные свойства плазмы, бор повышает засухо- и морозоустойчивость растений. Он не входит в состав ферментов, но обладает каталитическими свойствами (Школьник М.Я., 1974). Под влиянием бора повышается содержание сахара в сахарной свекле, плодово-ягодных и других культурах, витамина С и каротина в овощах, крахма ла в картофеле, жира в семенах масличных культур, эфирных масел в эфиро-масличных культурах, белка в пшенице, улучшается качество волокна льна и конопли. Растения страдают от недостатка бора, при сильном борном голодании они могут совсем не образовывать цветков.
У сахарной свеклы наблюдается сердцевинная и сухая гниль, у турнепса и брюквы - побурение сердцевины, у люцерны - пожелтение верхушек. Избыточное содержание В в почвах также вызывает заболевание растений вплоть до их гибели (Протасова Н.А., 1992). C.Fietjen (1976) установил ПДК бора для растений в почве 100 мг/кг. Такой широкий диапазон объясняется тем, что разные виды растений по-разному реагируют на избыток бора. В представленном агроценозе содержание бора в пахотном горизонте находится в интервале 1,55-2,50 мг/кг, что свидетельствует об отношении изучаемого обыкновенного чернозема к высоко-обеспеченным этим элементом почвам. Фоновая концентрация В составляет 1,55 мг/кг или 2,85 кг/га его запасов. Подвижность бора увеличивается при внесении минеральных удобрений на 9,7% на среднем агрохимическом уровне и на 35,3% на повышенном и высоком уровнях плодородия. Внесение мелиоранта 10 лет назад повысило мобильность В на среднем и повышенном фонах, хотя, по мнению ряда авторов, известкование способствует осаждению бора и снижает доступность его растениям, по всей видимости, длительное последействие не оказало никакого влияния на снижение подвижности этого элемента. К III классу опасности, мало опасных веществ, относятся: марганец, стронций, железо. Марганец (Мп) принадлежит к довольно распространенным элементам, составляя 0,1% земной коры. Кларк марганца в почвах составляет 600 мг/кг. По мнению RX.Bensal (1989), критическим уровнем содержания Мп в почве следует считать 2,9 мг/кг. В почве он находится в различной степени окисления, встречаются соединения с 2, 3, 4, 6 и 7, редко с 1 и 5 валентностями. Доступен растениям в основном двухвалентный марганец. А.П.Виноградов (1957) выделяет в почве две формы марганца: усвояемую (легкоподвижную), которая представлена в почвенных растворах карбонатами, бикарбонатами, сульфатами, нитратами, хлоридами и др., обменный марганец и неусвояемую (неподвижную), представленную окислами и гидратами окисей, органическими соединениями и марганцем, находящимся в кристаллической решетке минералов. Доступность элементов для растений определяется их подвижными формами.
Обычно марганец аккумулируется в верхнем слое почвы вследствие его фиксации органическим веществом. В настоящее время установлена большая роль марганца в деятельности ряда ферментов (пероксидазы, инвертазы, аргиназы) и витаминов. Он катализирует окислительно-восстановительные реакции, участвует в процессах фотосинтеза, синтеза белков и аскорбиновой кислоты, является катализатором в процессах дыхания и усвоения нитратов. При недостатке Мп у растений возникают специфические заболевания - серая пятнистость овса, хлороз кукурузы, болотная пятнистость семян гороха (Протасова Н.А., 1992). Наиболее чувствительны к дефициту его также сахарная свекла, картофель. По данным Х.Д.Хурума (2003), при внесении в почву марганцевого микроудобрения формируется более мощная корневая система, усиливается фотосинтетическая деятельность, увеличивается густота стояния растений риса. Марганец принимает участие в почвообразовании: синтезе гумуса, глинообразовании, оглеении, образовании иллювиальных горизонтов, гидрогенной аккумуляции конкреций. В почву марганец поступает с выбросами промышленных предприятий, с осадками сточных вод (Соколов О.А., 1999). Фоновое содержание подвижного марганца, извлекаемого ацетатно-аммонийным буфером с рН 4,8, в черноземе Каменной Степи 73,5 мг/кг, которое относится согласно классификации А.В.Хабарова (1997) по обеспеченности растений марганцем к высокому уровню, запасы его составляют 135,2 кг/га. В связи с некоторым подкислением почвенного раствора на вариантах с внесением рекомендуемых доз под культуры зернопропашного севооборота отмечается повышение подвижного марганца на 12,9-31,9% относительно фонового значения.
Повышение рН почвенного раствора в результате внесе ния кальцийсодержащего мелиоранта снижает подвижность марганца, здесь его содержание падает до 47 мг/кг почвы или на 36% больше образуется нерастворимых форм. Фоновая концентрация этого элемента ниже ПДК в 1,9 раза. Стронций (Sr) - стабильный, нерадиоактивный - довольно распространенный элемент в земной коре, геохимические и биохимические свойства его близки к свойствам кальция, поэтому в природных условиях суши он часто ассоциируется с кальцием и в меньшей степени в магнием. В подавляющем большинстве случаев отношение Sr : Са в биосфере постоянное и соответствует в среднем 30 : 1. При узком соотношении между этими элементами -менее 10:1, могут возникать специфические заболевания у животных и человека при употреблении растений, выращенных на этих почвах. Оба этих элемента принимают участие в построении скелета. Однако, вследствие большей подвижности, стронций долго не задерживается в костной ткани, кости становятся рыхлыми и деформируются. В регионах, где в почвах и природных водах нарушается соотношение Sr : Са в сторону избытка стронция при дефиците кальция, изменяется соответственно химический состав пищевого рациона, возникает «уровская болезнь». Содержание стронция в почвах в большей степени определяется составом материнских пород и климатом. Наивысшие показатели характерны для черноземов (Овчаренко М.М., 1997).
