Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Объекты и методы исследования 7
1. 1 Объекты исследования 7
1.2 Методы исследования 7
Глава 2. Почвенно-географическая характеристика и антропогенная деятельность 15
2, 1 Рельеф, климат, гидрография и почвообразующие породы 18
2.2 Почвы Кемеровской области 23
2.3 Антропогенная деятельность и деградационные процессы 33
2.3.1 Земледелие 35
2.3.2 Техногенные выбросы и нарушенные земли 41
Глава 3. Ретроспективный анализ результатов комплексного агрохимического обследования 45
3 1 Анализ изменения содержания гумуса в почвах (скорость, направленность, прогноз) 45
3.2 Анализ изменения кислотности почв (скорость, направленность, прогноз). 50
3.3 Анализ изменения содержания обменного калия в почвах скорость, направленность, прогноз) 56
3.4 Анализ изменения содержания подвижного фосфора в пахотных почвах (скорость, направленность, прогноз) 63
3.5 Техногенное загрязнение почв 69
Глава 4. Направленность и интенсивность изменения агрохимических параметров основных свойств почв 79
4. 1 Изменение агрохимических показателей в годичной динамике направленность, скорость, прогноз) 79
4.2 Изменение содержания подвижных форм тяжелых металлов в годичной динамике (направленность, скорость, прогноз) 93
4.3 Оценка радиоактивного загрязнения почв и содержания статочных количеств пестицидов
Глава 5. Продуктивность и качество зерна яровой пшеницы в зависимости от почвенно — агрохимических свойств почвы 105
5.1.Влияние подвижных форм питательных веществ и кислотности почвы на урожайность зерна яровой пшеницы 105
5.2 Влияние почвенно-агрохимических факторов на содержание тейковины в зерне яровой пшеницы 113
Выводы 117
Предложения производству и агрохимической службе 122
Библиографический список 124
Приложения 142
- Антропогенная деятельность и деградационные процессы
- Анализ изменения кислотности почв (скорость, направленность, прогноз).
- Анализ изменения содержания подвижного фосфора в пахотных почвах (скорость, направленность, прогноз)
- Изменение содержания подвижных форм тяжелых металлов в годичной динамике (направленность, скорость, прогноз)
Введение к работе
Почвенный покров Кемеровской области подвергается значительному
антропогенному воздействию сельскохозяйственного и промышленного
производства. Вследствие этого изменяется функция почв по формированию
биомассы растений - плодородие. Количественными показателями
происходящих процессов могут служить агрохимические свойства почв, характеризующие их питательный режим.
Количество в почве питательных веществ имеет большое значение для сельскохозяйственного производства. Рассмотрение этого вопроса позволит выявить содержание и динамику биогенных элементов в почвах с целью рационального использования их для формирования заданных уровней урожайности.
При антропогенном воздействии изменяется нормальный фон содержания химических веществ и их концентрация может превысить предельно допустимую, то есть происходит загрязнение почв. Такие почвы становятся источником загрязнения растениеводческой продукции.
Для сельскохозяйственного производства Кемеровской области важно не только обеспечить растения подвижными питательными веществами, но и получить продукцию, соответствующую гигиеническим требованиям.
Из литературы известно, что во многих регионах России и республик СНГ интенсивно протекают различные деградационные процессы, как дегумификация, подкисление, эрозия, дефляция, загрязнение почв тяжелыми металлами и другие. Деградация почв и потеря почвенного плодородия особенно сильно проявляется в Черноземной зоне России. Процессы деградации почв Кемеровской области не изучены. В этой связи данная проблема является актуальной, и ее решение не вызывает сомнений.
Цель исследования: Изучить проявление деградационных процессов в пахотных почвах, их направленность, скорость изменения агрохимических параметров в почвенных округах Кемеровской области за период с 1966 по
5 2002г.г., дать прогноз изменений и разработать мероприятия по предотвращению деградационных процессов.
Для достижения цели были поставлены и решены следующие задачи:
Изучить динамику агрохимических показателей почвенного плодородия по ретроспективным материалам агрохимического обследования и направленность деградационных процессов в пахотных почвах.
Разработать прогноз изменений почвенного плодородия под влиянием антропогенной нагрузки.
Обобщить материалы локального мониторинга почв, оценить размеры техногенного загрязнения.
4. Определить влияние содержания гумуса, подвижных форм
питательных веществ и кислотности почвенного раствора (рНсол) на
урожайность и качество зерна яровой пшеницы.
5. Разработать модель урожайности яровой пшеницы по почвенным
факторам.
Разработать мероприятия по предотвращению и устранению деградации почв.
Научная новизна. Впервые показано проявление деградационных процессов на пахотных почвах в почвенных округах Кемеровской области, их направленность, скорость изменения агрохимических параметров за период с 1966 по 2002 гг. Дана оценка содержания тяжелых металлов, радионуклидов и остаточных количеств пестицидов в почве и прогноз их накопления. С использованием информационно-логического анализа установлена связь между урожайностью зерна яровой пшеницы, содержанием клейковины в зерне и содержанием в почве гумуса, кислотности и подвижных питательных веществ. Получены наиболее вероятные значения урожайности по каждому значению содержания элементов питания в почве. Защищаемые положения.
1. В пахотных почвах Кемеровской области идут деградационные процессы (дегумификация, подкисление, снижение обеспеченности почв подвижным фосфором и обменным калием) с различной скоростью.
2. Зависимость урожайности зерна яровой пшеницы от содержания в почве элементов питания позволяет создать адаптивную информационно-логическую прогностическую модель.
Практическая значимость работы. Выводы по работе могут быть использованы в хозяйствах для проведения мероприятий по предотвращению и устранению деградационных процессов пахотных почв, при прогнозировании урожайности зерна яровой пшеницы. Апробация работы.
Основные положения работы докладывались и обсуждались на областных и районных агрономических совещаниях; в лекционных курсах слушателям Кемеровской школы переподготовки сельскохозяйственных кадров; на научно-практической конференции международной ассоциации агрохимиков и агроэкологов в г. Москва в 1992г; на международном симпозиуме «Контроль и реабилитация окружающей среды» в г. Томск в 1998г.; на международной научной конференции «Эволюция и деградация почвенного покрова» г. Ставрополь в 2002г.; на совещаниях директоров агрохимической службы России. По материалам диссертации опубликовано 8 научных работ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, выводов и рекомендаций производству, списка литературы. Содержание изложено на 161 страница машинописного текста, включая 47 таблиц, 12 рисунков, 23 приложения. Библиографический список состоит из 204 наименований, из них 3 на иностранном языке. При оформлении диссертационной работы использованы возможности компьютерной графики, текстового редактора Word, программа обработки электронных таблиц Exel.
Считаю своим долгом выразить благодарность заслуженному деятелю науки РФ, доктору сельскохозяйственных наук, профессору Л.М. Бурлаковой за чуткое руководство, советы и консультации, сотрудникам Федерального государственного учреждения центра агрохимической службы «Кемеровский» за помощь и поддержку в процессе выполнения работ.
Антропогенная деятельность и деградационные процессы
Кемеровская область является наиболее урбанизированной областью Западной Сибири. На ее территории располагаются 20 городов, 46 поселков городского типа, более 550 крупных промышленных и 300 сельскохозяйственных предприятий (Экология Кемеровской области, 2004). Большая концентрация предприятий угольной промышленности, черной и цветной металлургии, химии, машиностроения, железнодорожного и автомобильного транспорта обусловливают высокое антропогенное воздействие на окружающую среду, в том числе и на почвы. Сельскохозяйственное производство сосредоточено, в основном, там же, где и промышленность на равнинных территориях Кузнецкой котловины и южной части Западно-Сибирской низменности, занимающих чуть более третьей части площади области. В степных районах распаханность земель превышает 50% общей площади территории. Природные комплексы лесостепной зоны Кузнецкой котловины испытывают все отрицательные последствия индустриализации региона и нерационального землепользования, что ведет к деградации их и, в первую очередь, к деградации основной составляющей -почвы. Деградация почв представляет собой совокупность процессов, приводящих к изменению функций почвы как элемента природной среды, количественному и качественному ухудшению ее свойств и режимов, снижению природно-хозяйственной значимости земель (Методические рекомендации по выявлению деградированных и загрязненных земель. МЛ 995). Более краткое определение этого процесса сформулировано ГОСТом 27593-88: «Деградация почвы - это ухудшение свойств и плодородия почвы в результате воздействия природных или антропогенных факторов». Наиболее значимые типы деградации почв и земель это: технологическая, эрозия, засоление, заболачивание, загрязнение.
В технологической (эксплуатационной) деградации выделяются: нарушение земель, физическая (земледельческая) деградация и агроистощение. Эрозия водная и ветровая - это природные процессы разрушения почвенного покрова под воздействием водных и ветровых потоков. Но основными факторами, обусловливающими и ускоряющими ее проявление, является антропогенная деятельность (распашка земель, сплошная вырубка лесов, чрезмерная нагрузка на пастбища). Деградация почв в результате засоления представляет собой процесс избыточного накопления водорастворимых солей, включая и накопление в почвенном поглощающем комплексе ионов натрия и магния. Под заболачиванием понимается изменение водного режима, выражающееся в увеличении периодов длительного переувлажнения, подтопления и заболачивания почв (Методические рекомендации, 1995). Загрязнение почвы определяется ГОСТом 27593-88 как «накопление в почве веществ и организмов в результате антропогенной деятельности в таких количествах, которые понижают технологическую, питательную и гигиеническо - санитарную ценность выращиваемых культур и качество других природных объектов». Более полная классификация почвенно-деградационных процессов и антропогенных факторов, вызывающих их, дана А.Б. Розановым и Б.Г. Розановым (1990). Большая часть антропогенных факторов, приводящих к развитию деградации почв, характерна и для Кемеровской области. Но наиболее значительными являются: - земледелие, приводящее к агроистощению, физической деградации, ветровой и водной эрозии почв; - техногенные выбросы добывающей, перерабатывающей промышленности, теплоэнергетики, транспорта и т.д., приводящие к химическому загрязнению почв; - разработка полезных ископаемых открытым и подземным способом, приводящая к полному уничтожению почвенного покрова — нарушению земель.
Анализ изменения кислотности почв (скорость, направленность, прогноз).
Кислотность - один из основных показателей плодородия почвы, от нее зависит уровень урожайности, качество продукции и эффективность применения удобрений (Минеев,1983; Шильников, 1977). Реакция почвенного раствора (рД) в различных почвах колеблется от 3,5 до 8-9 и выше. В России более 48% почв характеризуется очень низким, низким и средним содержанием кальция. Эти данные свидетельствуют о существовании на значительной территории страны большой проблемы кальциевого питания сельскохозяйственных культур и необходимости ее решения комплексом агрохимических приемов (Аристархов, 2002). Кислотность почвы оказывает влияние на доступность фосфора. Исследованиями R. Trow-Smith (1978) установлено, что при значении кислотности ниже 5, 8 фосфаты превращаются в менее доступные для растений формы. На снижение фиксации фосфора почвой при уменьшении кислотности указывают Т.Н.Кулаковская (1990), Л.Рейнфельд (1978), Н.З.Милащенко (1993). В тоже время при слишком высоком значении рН и малом количестве свободного водорода фосфаты так же будут превращаться в недоступные для растений формы. Для оптимальной их усвояемости необходимо сохранить некоторое количество водородных ионов, поэтому значение рН должно поддерживаться на слабокислом уровне- 6,5 (Trow-Smith R.,1978). При снижении кислотности повышается необменное поглощение калия, увеличивается калийный потенциал и снижается содержание доступного для растений калия (Зиганьшина, 1976; Кулаковская, 1990) поэтому на известкованных почвах резко возрастает эффективность калийных удобрений. По данным С.А.Ермолаева, В.Г.Сычева, А.В.Кузнецова (2002) кислые почвы (рНс 5,5) занимают 31,8% от обследованной площади в России. В Сибирском округе пахотные почвы, подлежащие известкованию, занимают площадь 26,4 % по состоянию на 01.01 2001 года. В Красноярском крае кислых почв на пашне - 30% (Танделов, 1998).
В Кемеровской области кислые почвы занимают 57,9% площади пашни. По нашим исследованиям средневзвешенный показатель кислотности почв (рНс) Кемеровской области колеблется по периодам обследования от 5,2 в расчлененной лесостепи и лесостепи предгорий до 5,7 в степном ядре Кузнецкой котловины (табл.8, рис.4). га в год. В пятом периоде наблюдений скорость уменьшилась до 2,3 тыс. га в год (прил. VII). В округе 2 в первых двух периодах наблюдений все почвы имели близкую к нейтральной и нейтральную реакцию, в третьем периоде появляются почвы со слабокислой реакцией, а в четвертом и пятом периодах -среднекислые почвы. В округе 3 в третьем периоде наблюдений отмечено появление сильнокислых почв. Как было показано ранее (табл.3) объемы проводимого известкования в области были незначительные и не оказали влияние на изменение кислотности. На основании полученных уравнений регрессии составлен прогноз изменения распределения площади пашни по трем группам степени кислотности до 2010года (табл. 9). При получении теоретических рядов истинными считали положительные значения и значения равные нулю (прил.УШ).Уравнения регрессии приведены в таблице 10. n — число лет от 1977 года; S- площадь, %. На основании ретроспективного анализа динамики кислотности по периодам наблюдений с 1966 по 2001 гг., по уравнениям регрессии и составленному прогнозу во всех почвенных округах произойдет увеличение площади кислых почв в целом по области на 4,6%, что оценивается как нулевая степень деградации. Тенденция подкисления почв связана с загрязнением атмосферы окислами, незначительными объемами известкования и внесения органических удобрений, утратой кальция в связи с выносом культурами.
Анализ изменения содержания подвижного фосфора в пахотных почвах (скорость, направленность, прогноз)
В разных почвах содержится неодинаковое количество валового фосфора т 0,01% Р2О5 в бедных песчаных до 0,2% в мощных высокогумусных почвах [инеев, 1990). Фосфор в почвах находится в виде минеральных и ганических соединениях. Содержание подвижного фосфора зависит от оцессов почвообразования, от минералогического состава почвообразующих род, реакции среды, гранулометрического состава, от содержания его новых форм, ресурсов климата, интенсивности биологической аккумуляции лавнина, 1954; Антонова, 1968; Кулаковская, 1978; Бурлакова, 1984; гтипина, 1991). Малая растворимость фосфатов в сибирских черноземах и эых лесных почвах по мнению Н.И.Богданова (1954) обусловлена высокой лей органических соединений фосфора. Почвы Западной Сибири характеризуются неоднородными запасами движного фосфора. Низкое и среднее содержание фосфора в почвах мечено на 41% площади пашни, в том числе в Тюменской области- 71,3%, іской 52,8 и Томской 57,2%. Наиболее высокий уровень содержания движного фосфора в почве наблюдается в Алтайском крае (77% площади пашни), Новосибирской (58,6%) и Кемеровской (55,1%) областях (Красницкий, 2002). Увеличение содержания подвижного фосфора в почвах за 30-летний период сельскохозяйственного использования пашни в некоторых природных округах Красноярского края связано с применением фосфорных удобрений. По данным Н.Н. Крыжановской (2003) в восточном регионе Красноярского края количество подвижных фосфатов значительно варьирует в пространстве. Пространственное варьирование в распределении средневзвешенных агрохимических показателей отмечено и в Кемеровской области (Просянникова, Анохин, 2004).
Последействие фосфорных удобрений на увеличение средневзвешенного содержания почвенных фосфатов отмечают многие авторы (Ильичев, Коршунов, 2002; Казьмин, Коломейченко, Мартынов, Макеева, 2001; Орел, Романюк, Иванов, Кузнецова 1998; Квасов, 1998, 2004; Алиев, 2001; Агеев, Подколзин, 2001). По данным В.В.Тощева, А.М.Кирочкина (2003) средневзвешенное содержание фосфора в Свердловской области снизилось к 2002 году, увеличилась площадь пашни с низким содержанием подвижного фосфора. Средневзвешенное содержание подвижного фосфора на пашне Кемеровской области составляет 115 мг/кг почвы, что соответствует повышенному уровню обеспеченности. Почвы округа 2 лучше обеспечены подвижным фосфором, чем почвы других почвенных округов. Наиболее низким содержанием подвижных фосфатов характеризуются почвы округа 4. Этот округ является продолжением Канско-Ачинской лесостепи, почвы которой относятся к средне обеспеченным по содержанию подвижного фосфора (Танделов,1998). Результаты агрохимического обследования пашни с 1966 по 2001 годы позволяют рассмотреть динамику обеспеченности почв подвижным фосфором по почвенным округам области (табл. 15, рис.8). За счет интенсивной химизации сельского хозяйства между первым и третьим периодами наблюдений средневзвешенное содержание подвижного фосфора во всех почвенных округах достоверно увеличилось, в целом по области на 41 мг/кг почвы. С четвертого периода наблюдений произошло снижение применения удобрений, и наметилась тенденция снижения данного показателя. Однако средневзвешенное содержание подвижного фосфора в пятом периоде наблюдений все еще оставалось выше, чем в первом периоде.
Поэтому деградация почв по отношению к первому периоду наблюдений по содержанию подвижного фосфора не наблюдается. Площадь почв с низким содержанием фосфора в округах 2 и 3 незначительна (рис.9; табл.16). Площадь почв с низким содержанием подвижного фосфора до третьего периода уменьшалась в округах 4 и 1 со средней скоростью - 1,2-2,7 и 1,8- 6,5 тыс. га в год соответственно, затем увеличивалась (прил. XI). В период с 1966 по 1985 годы отмечается увеличение площади с высоким и повышенным содержанием подвижного фосфора во всех почвенных округах. .б Дозы внесения фосфорных удобрений в этот период увеличились с 2,1 до 15,8 кг/га д. в. Площадь пахотных почв с повышенным и высоким содержанием снижается в четвертом и пятом периодах. В это же время до 5,3-0,5 кг/га сократилось внесение фосфорных удобрений (табл. 17). На основании данных динамики площади по содержанию подвижного фосфора получены уравнения регрессии, по которым были составлены теоретические ряды (табл. 18, прил.ХП). n - количество лет от 1985г.; S - площадь пашни, % По уравнениям регрессии получен прогноз, по которому к 2010 году в округе 4 увеличивается площадь с низким содержанием подвижного фосфора, в округах 3 и 4 - со средним содержанием. Площадь почв с высоким содержанием фосфора - уменьшается на 3-4% (табл. 16). В округе 1 к 2010 году произойдут небольшие изменения в динамике площади с разным содержанием подвижного фосфора.
Изменение содержания подвижных форм тяжелых металлов в годичной динамике (направленность, скорость, прогноз)
По результатам наблюдений за период 1998-2003 годы содержание подвижного свинца в почвах участков не превышало ПДК. (табл. 35). В округе 1 содержание подвижного свинца в первый год наблюдений находилось на уровне 0,07-0,14 ПДК. Значительных различий в содержании подвижного свинца по типам почв не наблюдается. В годы наблюдений прослеживаются изменения в содержании свинца в почвах. При общей тенденции к увеличению содержания свинца в почвах округа о скорости этого процесса нельзя судить только по двум участкам 7(Лч) и 23 (Чо), где наблюдается достоверное увеличение содержания его со скоростью 94 0,2 и 0,072 мг/кг в год соответственно. На этих участках возможно загрязнение почв до уровня ПДК подвижным свинцом за 15 и 70 лет. его содержания наблюдается только на участке 14, поэтому загрязнение почв свинцом в ближайшем будущем не ожидается. За шесть лет наметилась тенденция только к незначительному его увеличению. В округе 3 за период наблюдений наметилась тенденция незначительного увеличения его содержания в почвах. Достоверное увеличение содержания подвижного свинца отмечается в почвах участков 1,2,3,6,8,12. Участки 1,2,6,8,12 подвержены влиянию промышленности городов и автодорог, а участок 3 расположен в сельской местности. На остальных ключевых участках изменения в содержании подвижного свинца незначительны. Локальное загрязнение почв подвижным свинцом до уровня ПДК (бмг/кг) возможно в течение 30-80 лет на участках расположенных в зоне влияния промышленности городов и автомобильных дорог. Основная часть сельскохозяйственных угодий округа в ближайшее время не будет загрязнена до уровня ПДК подвижным свинцом. За столь короткий промежуток наблюдений однозначно судить о возможном загрязнении почв области свинцом нельзя, хотя предпосылки для этого имеются в связи со значительным увеличением объемов промышленного производства и автомобильных перевозок. Увеличение содержания подвижного свинца в почвах участков, расположенных в зонах влияния промышленности, подтверждает о возможности локального загрязнения почв. Содержание подвижного кадмия в почвах участков округа 1 в 1998 году составляло от 0,02 до 0,11 мг/кг, в округе 2 - 0,10-0,14 мг/кг и в округе 3- 0,02-0,13 мг/кг. Исключение участок 16 с содержанием подвижного кадмия 0,26 мг/кг (воздействие промышленных предприятий по переработке угля и цинкового завода) (табл. 36, рис.1). По подвижному кадмию в почве нет официально установленного ПДК (ОДК). Условно можно ориентироваться в расчетах на величину 0,3 мг/кг. В округе 1 по результатам наблюдений в течение 1998-2003гг. прослеживается тенденция к увеличению содержания подвижного кадмия в почвах на всех участках, исключая участок 25. Достоверное увеличение произошло на участке 20 и 23. Наибольшее содержание подвижного кадмия наблюдалось в 2001-2002гг в почвах всех участков округа.
По результатам наблюдений наметилось некоторое снижение содержания подвижного кадмия, но все равно оно значительно выше, чем было шесть лет назад. Среднегодовое увеличение содержания подвижного кадмия в почве составляет в среднем 0,011 мг/кг с колебаниями по отдельным участкам наблюдений (0,002- 0,036 мг/кг). Значит, возможно, повышение концентрации подвижного кадмия доуровня 0,3 мг/кг на отдельных участках через 8-20лет -восточная часть Тяжинского района. В округе 2 так же прослеживается тенденция увеличения содержания подвижного кадмия в почвах. Она менее выражена на большей части площади, где в начальный период наблюдений было довольно высокое (0,14 мг/кг) содержание подвижного кадмия в почвах. В почвах участка 19, характеризующего юго-западную часть Кузнецкой котловины, наблюдается достоверное увеличение подвижного кадмия со скоростью 0,048 мг/кг в год и в 2002-2003 гг. содержание его в почве составляло 0.48-0,34 мг/кг. При такой скорости возможно увеличение содержания кадмия до уровня 0,3 мг/кг через 6 лет. Таким образом, основная часть округа 2 не будет загрязнена в ближайшее время подвижным кадмием до уровня 0,3 мг/кг почвы. Возможно в ближайшие 10 лет локальное загрязнение почв Гурьевского района подвижным кадмием до уровня 0,3 мг/кг почвы В округе 3 содержание подвижного кадмия в почвах ключевых участков 1,2,8,13 достоверно увеличилось. На остальных участках отмечается тенденция увеличения. Прослеживается уменьшение содержания подвижного кадмия в почвах, но оно остается значительно выше на большинстве участков, чем было в 1998 году. До уровня 0,3 мг/кг возможно локальное загрязнение почв подвижным кадмием за 10-15 лет. На остальной территории сохранится тенденция к увеличению подвижного кадмия в почвах. По нашим наблюдениям содержание подвижного кадмия в почвах области в большей степени связано с переносом на большие расстояния соединений кадмия, образующихся при переработке и сжигании каменного угля в Кузбассе. Содержание подвижного цинка в почвах отличается как по участкам, так и по годам наблюдений (табл. 37).
