Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор литературы
1.1. Роль основных агрохимических показателей в обеспечении плодородия почвы 11
1.2. Влияние агротехногепных факторов развития сельского хозяйства на содержание в почве тяжелых металлов 25
1.3. Значение удобрений в производстве сельскохозяйственной продукции 43
Глава 2. Объекты, условия и методы проведения исследований
2.1. Почвенно-климатическая характеристика местности 57
2.2. Обоснование выбора объекта исследований 67
2.2.1. Динамика площадей пахотных угодий основных типов почв Нижегородской области 67
2.2.2. Сравнительная оценка разных типов почв по основным агрохимическим показателям 70
2.3. Методы проведения исследований 81
Глава 3. Оценка качества и безопасности почв по результатам мониторинга на реперных участках
3.1. Агрохимическая характеристика почв 85
3.2. Оценка продуктивности дерново-подзолистых почв 102
3.3. Содержание тяжелых металлов в почвенном профиле 108
Глава 4. Анализ гидрологической составляющей агроэкосистемы
4.1. Оценка атмосферных осадков как источника поступления токсикантов в почву 122
4.2. Влияние почв на формирование химического состава грунтовых вод 137
Глава 5. Характеристика кислотных свойств почвы и результаты известкования
5.1. Оценка степени изменчивости кислотности дерново-подзолистых почв разного гранулометрического состава 146
5.2. Динамика площадей почв разной степени кислотности 152
5.3. Объемы и эффективность известкования 162
Глава 6. Питательный режим дерново-подзолистых почв
6.1. Характеристика фосфатного состояния почв 175
6.1.1. Обеспеченность почв подвижными соединениями фосфора 175
6.1.2. Фосфоритование дерново-подзолистых почв 189
6.2. Динамика подвижных соединений калия 193
Глава 7. Современное агроэкологическое состояние почв
7.1. Обеспеченность почв микроэлементами 211
7.2. Оценка безопасности почв по содержанию тяжелых металлов 218
7.3. Изучение транслокации тяжелых металлов
из почвы в растения 223
Глава 8. Удобренность и продуктивность дерново-подзолистых почв
8.1. Динамика применения удобрений 247
8.2. Комплексная оценка плодородия дерново-подзолистых почв Нижегородской области в начале XXI века 261
Глава 9. Оценка эффективности земледелия в зоне дерново-подзолистых почв
9.1. Динамика урожайности отдельных культур в производстве 272
9.2. Влияние удобрений на продуктивность основных культур в опытных условиях 287
Выводы 309
Рекомендации производству 313
Список использованной литературы
- Влияние агротехногепных факторов развития сельского хозяйства на содержание в почве тяжелых металлов
- Динамика площадей пахотных угодий основных типов почв Нижегородской области
- Оценка продуктивности дерново-подзолистых почв
- Влияние почв на формирование химического состава грунтовых вод
Введение к работе
Актуальность исследований
Продовольственная безопасность РФ в значительной степени определяется качественным состоянием сельскохозяйственных угодий, которое, в свою очередь, зависит от антропогенной нагрузки. Как избыточное, так и недостаточное вложение энергетических субсидий в агроэко систему может привести к возникновению негативных последствий агрономического и экологического плана. В последние годы речь идет, в основном, о резком падении капиталовложений в аграрное производство, в том числе о значительном уменьшении применения удобрений, средств химической мелиорации и т.д. В таких условиях следует ожидать ухудшения качественного состояния почв: снижения содержания подвижных соединений питательных элементов, сокращения запасов гумуса, увеличения степени кислотности почв. В свою очередь, отмеченные изменения в агрохимических свойствах не могут не отразиться на экологическом состоянии почв, в частности, на поведении пол-лютантов. Все это рано или поздно приведет к снижению продуктивности пашни, ухудшению качества получаемой растениеводческой продукции.
В силу генетических особенностей дерново-подзолистые почвы, характеризующиеся низким природным содержанием гумуса и высокой кислотностью, наиболее подвержены влиянию внешних факторов: при окультуривании они приобретают благоприятные режимы и свойства, но быстро утрачивают их при недостаточных дотациях в сельское хозяйство. Между тем, доля таких почв в Волго-Вятском регионе РФ существенна, например, в Нижегородской области такие почвы занимают более 30% площади пахотных земель. В связи с этим повышается роль экспериментальных и мониторинговых исследований, которые позволяют своевременно выявить изменения уровня плодородия и безопасности почв, при необходимости разработать
соответствующие корректирующие мероприятия, а также спрогнозировать состояние системы в перспективе.
Цель и задачи исследования
Оценить динамику качественного состояния дерново-подзолистых почв и степень безопасности их для производства растениеводческой продукции, определить степень влияния антропогенной деятельности на свойства почвы и продуктивность культур, выявить тенденции изменения характеристик почвы в перспективе.
В задачи исследований входило:
оценить агроэкологическое состояние дерново-подзолистых почв по данным агрохимического (сплошного) и агроэкологического (выборочного) мониторинга;
оценить кислотные свойства и питательный режим дерново-подзолистых почв, а также проанализировать их динамику в период с 1966 по 2004 гг.;
выявить влияние различных агрохимических приемов (фосфоритова-ние, известкование) на свойства почвы;
изучить распределение элементов питания и тяжелых металлов по почвенному профилю до глубины 1 м;
изучить транслокацию тяжелых металлов из почвы в растения и эффективность мероприятий по детоксикации загрязненных почв;
оценить атмосферные осадки (дождь, снег) как источник загрязнения почв тяжелыми металлами;
определить влияние почвы на формирование химического состава грунтовых вод;
изучить влияние минеральных удобрений на урожайность и качество основных сельскохозяйственных культур;
установить степень тесноты связи между свойствами почвы, количеством вносимых удобрений и урожайностью сельскохозяйственных культур.
Научная новизна
В работе обобщены и проанализированы многолетние данные сплошного (1966-2004 гг.) и локального (1995-2003 гг.) мониторинга пахотных дерново-подзолистых почв (на примере Нижегородской области). Выявлены основные тенденции изменения агрохимических показателей в зависимости от интенсивности антропогенной нагрузки и гранулометрического состава почв. Установлено, что, несмотря на низкие объемы применения средств химизации в последнее десятилетие, резкого ухудшения агрохимических свойств почвы не наблюдается. Оценка длительности действия химических мелиорации во времени показала, что эффект от фосфоритования и известкования на дерново-подзолистых почвах сохраняется в течение 10-15 лет.
Атмосферные осадки, выпадающие в изучаемой зоне, не являются значимым источником поступления тяжелых металлов в агроэкосистему, а их нейтральная реакция является фактором, сдерживающим подкисление почв.
Произведена оценка экологической безопасности почв по содержанию в них тяжелых металлов. Выявлено, что 2482 га дерново-подзолистых почв Нижегородской области (0,5 % от общей площади пашни) загрязнено тяжелыми металлами. Приоритетным загрязнителем является кадмий. В рамках проведенных исследований установлено, что транслокация тяжелых металлов из почвы в зерновые культуры увеличивается в ряду «медь - цинк - кадмий», а наиболее эффективным мероприятием по детоксикации загрязнений почв подзолистого ряда является совместное внесение извести и торфа.
Установлено, что продуктивность основных культур, выращиваемых на дерново-подзолистых почвах, значительно варьировала в пространстве и во времени с общей тенденцией к снижению в последние 10 лет. В настоящее
время средняя урожайность зерновых культур составляет 10,3 ц/га, картофеля - 54 ц/га, льно-волокна - 2,5 ц/га.
Прогноз изменения содержания подвижных соединений фосфора и калия в дерново-подзолистых почвах региона при сохранении фактических вложений в сельскохозяйственное производство и достигнутого уровня урожайности показал, что ежегодное снижение содержания фосфора составит 2, а калия - 4 мг/кг.
Практическая значимость
Полученная информационная база по продуктивности пашни, состоянию почвенного покрова и экологическим параметрам агроэкосистемы — одно из основополагающих звеньев управления для органов государственной власти и бизнеса при решении вопросов экономической политики в области сельского хозяйства.
Рекомендации по оптимизации качественного состояния дерново-подзолистых почв Нижегородской области, разработанные на основе анализа мониторинговой информации, востребованы при планировании развития отрасли растениеводства в современных производственных условиях села.
Предложены мероприятия по снижению степени подвижности тяжелых металлов в почвах с повышенным их содержанием и выявлены зерновые культуры, обладающие наибольшей устойчивость к воздействию токсикантов. Полученные результаты рекомендуются к применению при ведении сельскохозяйственного производства в экологически проблемных зонах.
Основные положения работы используются в учебных курсах Нижегородской ГСХА в процессе преподавания дисциплин: агрохимия, система применения удобрений, методы агрохимических и экологических исследований, охрана окружающей среды и рациональное природопользование, экологическая экспертиза, экономика природопользования.
Защищаемые положения
длительное окультуривание дерново-подзолистых почв позволило изменить содержание подвижных соединений фосфора от низкого до повышенного, а обменную кислотность - от средней до слабой. Указанные характеристики остаются стабильными в течение последних 3s циклов агрохимического обследования. Содержание обменного калия в этот же период времени постепенно снижается;
наиболее значимые изменения почвенных свойств, обусловленные антропогенной деятельностью, связанной с выращиванием растениеводческой продукции, затрагивают слой 0-40 см (пахотный и непосредственно прилегающий к нему подпахотный слои почвы); состояние региональной агроэкосистемы, согласно данным локального агроэкологического мониторинга, является удовлетворительным: содержание загрязнителей в почве, атмосферных осадках и грунтовых водах находится в пределах ПДК;
использование агрохимических приемов (известкование, внесение повышенных доз минеральных удобрений и торфа) на почвах подзолистого ряда способствует снижению подвижности тяжелых металлов в почве, уменьшая их фитотоксичность и биоаккумуляцию. Наиболее эффективным является совместное внесение торфа и извести; урожайность зерновых культур в целом изменяется в соответствии с динамикой почвенных свойств и объемами применения средств химизации. Степень связи между урожайностью картофеля и льна с указанными параметрами значительно меньшая. Наиболее эффективными дозами минеральных удобрений на изученных почвах являются: для озимых зерновых N120P90K90, под яРовые зерновые - ЫбоРэдКэд, под картофель - N9oP9oK12(b под лен - N40Pi2oK9o-
Апробация работы
Результаты исследований докладывались на международных съездах и конференциях (Санкт-Петербург, 1996; Ставрополь, 2001), всероссийских (всесоюзных) научно-практических конференциях в высших учебных и научно-исследовательских заведениях городов Горького (1966), Нижнего Новгорода (1998-2002), Москвы (1975, 1977, 1983), а также на ежегодных конференциях профессорско-преподавательского состава Нижегородской ГСХА (1989-2004).
Общее количество опубликованных работ представлено 97 наименованием (личное участие обозначено в 38,86 усл. печ, листа). Большая часть результатов исследований изложены в 3 монографиях (в соавторстве) и 4 рекомендациях справочного и научно-практического характера.
Влияние агротехногепных факторов развития сельского хозяйства на содержание в почве тяжелых металлов
Проблеме загрязнения природных сред тяжелыми металлами внимание уделяется сравнительно недавно, хотя известны труды, посвященные изучению свойств и биологической роли некоторых из них, датированные началом нашего столетия. Большинство элементов, отнесенных к данной группе пол-лютантов, принадлежит также к группе элементов, в микроколичествах совершенно необходимых растительным и животным организмам. Такие элементы, как Мп, Мо, Си, Zn н другие содержатся в атмосфере, воде, почве, горных породах в малых количествах (за исключением районов геохимических аномалий) и не вызывают негативных реакций у организмов, обитающих в данных средах. Однако в течение последних 20 - 30 лет активное вмешательство человека в природные циклы элементов привело к тому, что их поступление на поверхность значительно превысило отток в осадочные отложения, что вызвало нарушение их циркуляции в биологическом и геологическом круговоротах и аккумуляцию их в активных звеньях циклов (Ковда В.А., 1985).
Все это явилось причиной появления термина «тяжелые металлы», который охватывает микроэлементы (относящиеся к металлам), находящиеся в экзогенных, повышенных концентрациях (Химия тяжелых металлов..., 1985). К этой же группе относятся элементы, не выполняющие каких-либо биологических функций (или роль которых до конца не установлена), но в концентрациях, превышающих фоновые, являющиеся токсичными. К таким элементам относятся Hg, Cd, Pb. Эти три элемента, по мнению большинства исследователей, являются наиболее опасными как из-за их токсичности, так и из-за высокой техно фил ьности (Экогеохимия..., 1995).
Большая часть поступающих в биосферу поллютантов аккумулируется в почвенном покрове и очень медленно удаляется при выщелачивании, потреблении растениями, эрозии, дефляции. Период полувыведения из почвенного профиля составляет довольно длительные промежутки времени: например, 13-110 лет для кадмия и 740-5900 лет для свинца (Почвенно-экологический..., 1994). Поскольку почва - основное средство сельскохозяйственного производства, накопление в ней избыточных концентраций тяжелых металлов представляет собой нежелательное явление и требует мер как по предотвращению поступления данных элементов в почву, так и по снижению токсичности уже имеющихся концентраций поллютантов. Источники поступления тяжелых металлов в почву Валовое содержание тяжелых металлов в естественных незагрязненных почвах обусловлено их концентрацией в исходной материнской породе и находится под влиянием процессов почвообразования и различных почвенных характеристик: содержания органического вещества, реакции среды, гранулометрического состава (Виноградов А.П., 1957; Ковда В.А., Якушевская И.В, Тюрюканов А.Н., 1959). Например, фоновое содержание кадмия в верхнем слое почв составляет: в подзолистых и дерново-подзолистых — 0,70-2,31 мг/кг, серых лесных - 0, 65 мг/кг, черноземах - 0,70-1,00 мг/кг (Золотарева Б.Н. и др., 1980), а валовое содержание свинца следующее: в дерново-подзолистых почвах - 9-26 мг/кг, серых лесных - 16-19 мг/кг, черноземах -18-23 мг/кг (Чеботарева Н.А, 1970). Фоновый уровень данных элементов в настоящее время значительно изменен под влиянием антропогенного фактора: в почву ежегодно поступает 52-112 тыс. т кадмия и 19 тыс. т свинца (Nriagu J.O., Pacyna J.M., 1988).
К основным факторам антропогенного загрязнения относят промышленные выбросы, транспорт, органические отходы, сельскохозяйственные химикаты, удобрения и химические мелиоранты (Tiller K.G., 1989).
Рассматривая указанные источники, можно разделить их на две группы. Первая объединяет источники, слабо поддающиеся учету и контролю -промышленность и транспорт. Главной проблемой здесь является затруднительность точного определения масштабов выбросов, а также характера их перераспределения, который обуславливается метеорологическими факторами и рельефом местности. Ко второй группе относятся источники, которые вполне возможно взять под контроль (учитывая тот факт, что к ним относятся материалы, используемые в сельском хозяйстве в известных количествах и с известным, в большинстве случаев, содержанием токсичных элементов).
Транспорт. Транспорт является одним из основных источников загрязнения почв свинцом (на 1 автомобиль приходится 1 кг/год РЬ) (Свинец в окружающей среде, 1987). Ширина придорожных аномалий свинца составляет около 50-100 м, реже до 300 м (Химия тяжелых металлов..., 1985; Tiller K.G.et al., 1987; Tiller K.G., 1989). Наибольшая концентрация элемента в почве прослеживается на расстоянии 1-2 м, достигая 500-600 мг/кг (Lead in..., 1976). Некоторые авторы отмечают наличие существенного загрязнения на расстоянии нескольких километров (Page A.L., Ganje T.J., 1977). Исследования Reiter E.R.et al. (1976) показали, что около 50% свинца транспортных выбросов находится в воздухе на расстоянии 20 км от дороги. По результатам исследований с изотопами Gulson B.L. et al. (1981) показали, что свинец переносится на расстояние 50 км от дороги.
Динамика площадей пахотных угодий основных типов почв Нижегородской области
До 1990 года эти изменения были весьма несущественны: на черноземах обследуемая площадь по сравнению с данными 1ш цикла сокращалась постепенно, на серых лесных почвах наблюдался даже прирост пашни (в 1976-80 гг. он составил 1,3% по отношению к 1ш циклу), в зоне дерново-подзолистых почв они имели скачкообразный характер. Стабильное снижение площади пашни начинается с 1991 года. При этом к 8му циклу на черноземах оно составило 12% по отношению к первому циклу, на серых лесных -18%, но максимальным было на дерново-подзолистых почвах - 22% в сравнении с началом наблюдений.
Столь масштабное падение площади обрабатываемых земель именно в зоне дерново-подзолистых почв предопределяет необходимость более подробного анализа данной ситуации с рассмотрением динамики площадей в разрезе административных районов (табл. 2.5).
Как следует из представленных данных, до 4Ш цикла агрохимического обследования (или 1981-85 гг.), обследуемая площадь в целом изменилась весьма незначительно. Исключение составляет 3 цикл, когда по объективным причинам обследование не проводилось на территории Шахунского района, что существенно отразилось на общих показателях.
С 5—цикла начинается постепенное снижение площадей пашни, а с начала 90s годов оно идет значительными темпами. Так, за период 1991-2004 гг. площадь пашни дерново-подзолистых песчаных и супесчаных почв сократилась на 20%, а суглинистых - на 21% по сравнению с 1990 г.
К 2004 году площадь пашни дерново-подзолистых песчаных и супесчаных почв сократилась на 7-57%, а суглинистых — на 12-48% по отношению к максимальной для конкретного района. Минимальные изменения отмечены для Ковернинского (7%) и Уренского (12%), а максимальные - для Кулебак-ского (57%), Тоншаевского (48%) и Навашинского (41%) районов. Кроме того, следует отметить, что в 10ш районах площадь пашни стабилизировалась, а с 1996 года дальнейшего её снижения не наблюдалось, в то время как в остальных оно продолжается. Наиболее серьезные изменения за последние 5 лет произошли в Борском, Красно-Баковском, Сокольском, Семеновском, Уренском и Чкаловском районах, где сокращение пахотных угодий составило 10, 26, 9, 10, 9 и 12% соответственно.
Таким образом, несмотря на общую тенденцию падения площади пахотных угодий, отмеченную для всех районов зоны, масштабы ее проявления в каждом отдельном случае были различны.
В таблице 2,6 и Приложении 1 приведены данные по основным показателям разных типов почв, используемым при характеристике их агрономической ценности, математически обработанных с использованием методов вариационной статистики, что позволяет оценивать не только их абсолютные значения, но и относительные (изменчивость признака во времени).
Установлено, что такие характеристики почвенного плодородия, как содержание гумуса и показатель рН в солевой вытяжке, отличаются незначительной вариабельностью во времени. Для гумуса это вполне закономерно, поскольку, в силу специфики данных параметров, затраты (энергетические, материальные и др.) на их изменение достаточно высоки. Фактическое же применение органических удобрений в нашей области явно недостаточно для существенного влияния на накопление его в почве. В то же время, интенсивность сельскохозяйственного производства не столь высока, чтобы оказать существенное негативное влияние на этот показатель.
Средневзвешенное содержание гумуса в пахотных почвах Нижегородской области составляет 2,9%. Изменчивость данного показателя во времени незначительна (от 1% на черноземах до 4% на дерново-подзолистых почвах). Фактическое же содержание гумуса в разных типах почв, учитывая особенности протекания почвообразовательного процесса, климатические условия и ряд других специфических факторов, существенно различается. Так, средневзвешенное количество гумуса в черноземных почвах варьирует от 6,1% до 6,3%, в серых лесных - от 3,1% до 3,2%, а в дерново-подзолистых - от 1,7% до 1,9%. При этом следует отметить, что величина рассматриваемого показателя на серых лесных почвах была более высокой и практически не изменилась в период 1991-2004 гг. (6я, 1 и 8й циклы агрохимического обследования), на черноземах максимальное ее значение (6,3%) отмечено в 2004 году (8й цикл). В отличие от этих типов почв, на дерново-подзолистых содержание гумуса к 8Ш циклу снизилось и составило 1,8% (минимальное его значение приходилось на период 1981-85 гг.).
Динамику перераспределения почв с разной степенью гумусированно-сти внутри каждой из отмеченных групп почв (черноземные, серые лесные и дерново-подзолистые) можно охарактеризовать следующим образом (рис. 4).
Доля почв с очень низкой и низкой степенью гумусированности в период 1975-2004 гг. постепенно снижалась. На черноземах процент таких почв снизился с 35% (1975 г.) до 17% (2004 г.). Для серых лесных почв эти цифры соответственно составили 69% и 52%, а для дерново-подзолистых - 77% и 60%. В то же время доля почв с высокой степенью гумусированности на черноземах возросла с 13% до 31%, на серых лесных - с 1% до 4%, на дерново-подзолистых - не изменилась, оставшись нулевой.
Приведенные данные могут свидетельствовать как минимум о двух факторах: во-первых, об относительно высоком качестве нижегородских черноземов (и, возможно, о более бережном к ним отношении), а во-вторых, о низкой устойчивости дерново-подзолистых почв и большей их зависимости от антропогенного влияния. Кроме того, следует отметить, что тенденция положительной динамики гумуса в черноземах прослеживается в течение всего срока наблюдений, в то время как для серых лесных и дерново-подзолистых почв она имеет позитивный характер лишь до 1995 года (6й цикл). В дальнейшем количество почв с низкой гумусированностью начинает резко возрастать, что в целом согласуется с динамикой применения органических удобрений. На подобные закономерности изменения органического вещества в почвах указывают В.Г. Сычев и А.В. Кузнецов (2004, 2005).
В заключение можно отметить, что если среди черноземов до 1990 г. преобладали почвы со средней степенью гумусированности (34-35%), а с 1995 г. — с высокой (26-31%), то среди серых лесных и, особенно, дерново-подзолистых — с низкой (34-38%) и средней (35-37%). Более того, к 8м циклу агрохимического обследования количество дерново-подзолистых почв с низкой степенью гумусированности становится преобладающим (40%).
Оценка продуктивности дерново-подзолистых почв
При оценке почв важнейшим показателем качества является их способность производить биомассу. При этом продуктивность растений свидетельствует не только о способности почвы обеспечивать их необходимыми условиями роста, но и отражает соответствие погодных условий требованиям культур. Кроме этого, урожайность сельскохозяйственных растений является результатом технологии их выращивания и зависит от количества энергии, вкладываемой в агроэкосистему. Таким образом, урожайность - это интегральный показатель, отражающий комплексное влияние всех факторов и условий произрастания на формирование биомассы культур. Урожайность сельскохозяйственных культур, выращиваемых на реперных участках в период проведения исследований, представлена в таблице 3.9.
Одним из важнейших показателей правильного ведения отрасли растениеводства, как с агрономической, так и с экологической точек зрения, является насыщенность севооборота зерновыми культурами и многолетними травами. Поскольку реперные участки закладывались на наиболее типичных по природным и производственным условиям полях хозяйств, то можно считать, что они адекватно отражают уровень ведения земледелия в целом по области.
Прежде всего, необходимо отметить, что принципы научно-обоснованного чередования культур в севооборотах в хозяйствах соблюдаются слабо. Нередко практикуется выращивание одной культуры в течение нескольких лет, что в большинстве случаев сопровождается снижением ее урожайности на второй и третий годы возделывания. Так, например, при трехлетнем выращивании картофеля (2000-2002 гг.) в Красно-Баковском районе урожайность его во второй год составила только 42 %, а в третий -70 % от урожайности первого года культивирования.
Кроме этого, обращает на себя внимание широкое распространение чистого пара (в ряде случаев по два года подряд), что, безусловно, связано со сложными экономическими условиями хозяйств и их технической неспособностью обработать всю площадь. Тем не менее, необходимо отметить, что введение чистых паров в зоне дерново-подзолистых почв является, чаще всего, нецелесообразным, а в ряде случаев и опасным, поскольку способствует усилению эрозионных процессов. Введение чистых паров в данной зоне может быть оправданным только для улучшения фитосанитарного состояния агроэко системы в случае сильной засоренности полей, при этом должна быть предусмотрена соответствующая система обработки почв.
В сложных современных условиях, когда практически повсеместно производитель сельскохозяйственной продукции ощущает дефицит средств (удобрений, средств защиты растений, горюче-смазочных материалов, техники и т.д.), частичным решением такой проблемы является биологизация земледелия, которая позволяет при минимизации вложений максимально использовать потенциальное плодородие почв. Важнейшим элементом биоло-гизации является насыщение севооборотов многолетними бобовыми травами, которые обогащают почву органическим веществом и азотом, улучшают ее физические свойства, являются источником сбалансированных по питательной ценности кормов. При этом затраты на их производство в большинстве случаев меньше, чем на получение любых других видов кормов.
Насыщенность многолетними травами (имеется в виду насыщенность во времени) на обследованных реперных участках варьирует в широких пределах: от полного их отсутствия (Красно-Баковский, Тонкинский район) до 60 % в Шахунском районе, В целом на большинстве реперных участков из восьми лет исследований два года приходилось на многолетние травы.
Другим важным элементом биологизации земледелия является использование сидеральных культур. Учитывая низкую насыщенность органическими и минеральными удобрениями, использование сидератов позволит сохранить запас органического вещества в почве и повысить содержание доступных для растений элементов питания. Однако ни на одном из обследованных участков в период наблюдений сидеральные культуры не возделывались.
Средняя продуктивность сельскохозяйственных культур на дерново-подзолистых супесчаных почвах составила 17, на суглинистых -13 ц зерновых единиц с гектара (табл. 3.10). Подобная разница обусловлена тем, что суглинистые разновидности обследуемых почв в основном распространены в более северных районах Нижегородской области. Вариабильность урожайности, как по отдельным участкам, так и по годам в рамках одного участка была значительной.
Максимальная средняя продуктивность культур отмечалась на репер-ном участке Борского района: она составила 23 ц зерн. ед./га. Следует отметить, что именно в Борском районе вносилось наибольшее количество как органических, так и минеральных удобрений. В результате почвы реперного участка указанного района отличались наибольшим количеством фосфора и калия, значительной степенью их подвижности, максимальным содержанием минерального азота и микроэлементов. Минимальной урожайностью характеризовались Воскресенский и Ветлужский районы.
Что касается динамики урожайности во времени, то тенденция ее однонаправленного снижения отмечается в основном на дерново-подзолистых суглинистых почвах. В частности, четкое падение урожайности со временем прослеживается в Городецком, Тонкинском и Тоншаевском районах. Важнейшим фактором, повышающим урожайность сельскохозяйственных культур, является внесение минеральных и органических удобрений (табл. 3.11).
Влияние почв на формирование химического состава грунтовых вод
Среди экологических функций почв одно из важнейших мест занимает гидросферная (Добровольский Г.В., Никитин Е.Д., 2000). Ее проявления достаточно многообразны, в частности, одним из аспектов является формирование химического состава природных вод. Так, часть атмосферных осадков, выпадающих на поверхность, трансформируется во внутрипочвенную влагу, а впоследствии, просочившись сквозь почвенную толщу и грунты, становится грунтовой водой. При этом химический состав грунтовых вод зависит как от исходного состава атмосферных осадков, так и от свойств почв и грунтов, через которые просачивается влага.
Почва является мощнейшим сорбционным барьером, который, благодаря огромной активной поверхности, поглощает многие элементы и соединения на пути их миграции в водные экосистемы, что предотвращает загрязнение природных вод токсикантами и избыточным количеством биогенных элементов. Однако возможности сорбционной способности почв небеспредельны, они определяются как природными особенностями почв, так и уровнем антропогенного воздействия на нее. В случае нарушения экологического равновесия в экосистеме возможна ситуация, когда в процессе прохождения почвенной толщи атмосферные осадки обогащаются различными примесями, в том числе токсичными, что приводит к ухудшению качества грунтовых вод, которые нередко в сельской местности служат источниками нецентрализованного питьевого водоснабжения. Особенно вероятно возникновение подобной ситуации на пахотных почвах. В связи с этим при оценке качества и безопасности дерново-подзолистых почв, используемых в сельскохозяйственном производстве, в программу исследований была включена оценка химического состава грунтовых вод.
Кислотность грунтовых вод в целом была меньшей, чем кислотность выпадающих осадков, и варьировала в среднем в диапазоне около 6-7 единиц рН (табл. 4.9). Для большинства обследованных районов наблюдаемый диапазон водородного показателя укладывался в предельно допустимый (следует подчеркнуть, что для оценки качества грунтовых вод пользовались санитарно-гигиеническими нормативами, установленными для воды нецентрализованных источников питьевого водоснабжения). Исключением являлся ре-перный участок Ветлужского района, где, начиная с 1999 года, кислотность грунтовых вод была стабильно выше допустимой.
При этом именно на территории данного района кислотность снега в последние годы была повышенной. Так, например в 2003 году она составила 4,0 единицы рН. Однако кислотность дождевых вод в это же время была близкой к нейтральной. Кроме этого, однократное превышение допустимой кислотности было отмечено в грунтовых водах Городецкого района.
Анализ тесноты связи между кислотностью выпадающих атмосферных осадков и кислотностью грунтовых вод позволил охарактеризовать ее как слабую: коэффициент корреляции между рН дождевой и грунтовой воды составил 0,29, а между рН снеговой и грунтовой воды - 0Д9. Тем не менее, вероятность снижения рН грунтовых вод увеличивается при повышении кислотности осадков, о чем свидетельствуют данные по реперному участку Ветлужского района.
Содержание сульфатов в грунтовых водах в целом было значительно большим, чем в выпадающих атмосферных осадках, но при этом во всех случаях ниже предельно допустимого значения. Концентрация нитратного азота отличалась значительной вариабильностьто: от очень низких значений до высоких. При этом случаи превышения ПДК по данному критерию качества являются далеко не единичными. Так, например, максимальное содержание нитратов было зафиксировано в 1996 году в Сокольском районе: оно составило 4,6 ПДК. В Борском районе превышения ПДК были не столь значительными, однако отмечались практически в 50 % случаев. Кроме этого, превышение санитарно-гигиенических норм по содержанию нитратов в грунтовых водах было выявлено в Чкаловском, Тоншаевском и Шахунском районах.
Содержание тяжелых металлов в грунтовых водах представлено в таблице 4.10. Результаты свидетельствуют, что концентрация практически всех определяемых в грунтовых водах элементов ниже предельно допустимых норм. Исключением является кадмий, содержание которого в Тонкинском районе несколько превышает ПДК.
Для выявления линейной зависимости и оценки степени тесноты связи между содержанием тяжелых металлов в осадках, в пахотном слое почвы и концентрацией их в грунтовых водах определили коэффициенты корреляции (табл. 4.11).
Результаты наблюдений свидетельствуют, что содержание цинка в грунтовых водах тесно коррелирует с содержанием его в дождевой воде, и практически не связано с концентрацией в твердых атмосферных выпадениях. Подобная тенденция может быть обусловлена различной дальностью переноса данного загрязнителя в зависимости от погодных условий. Очевидно, в зимнее время года большая его часть осаждается в непосредственной близости от источника загрязнения. Вследствие этого содержание цинка в снеговой воде существенно ниже, чем в дождевой, а взаимосвязи между концентрацией его в снеге и фунтовой воде не прослеживается. Кроме этого, обнаружена средняя корреляционная зависимость между содержанием цинка в грунтовых водах и содержанием его в почве (причем как по валовым, так и по подвижным формам металла).
Содержание никеля в грунтовых водах слабо коррелировало со всеми рассматриваемыми показателями, причем, как и в предыдущем случае, характер связи между концентрацией элемента в грунтовой и дождевой, а также в грунтовой и снеговой воде был различным. Концентрация меди в грунтовой воде в большей степени определялась содержанием подвижных форм данного металла в почвах, а концентрация кадмия - его общим содержанием в почве.
Обращает на себя внимание, что связь между содержанием свинца в почве и грунтовых водах характеризуется как обратная, что, вероятно, обусловлено химическими особенностями данного элемента (в частности, его низкой миграционной способностью). Содержание хрома в грунтовой воде, так же, как и цинка, в большей степени определялось концентрацией его в жидких атмосферных выпадениях.
