Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современные проблемы оценки агроэкологического состояния плодородия пахотных почв 8
Глава 2. Объекты и методы исследований 28
Глава 3. Эрозионная оценка процессов, способствующих агроэкологической напряженности пахотных почв 54
3.1. Интенсивность эрозионных процессов исследуемых территорий 54
3.2. Влияние климатических условий на интенсивность смыва почв талыми водами 59
3.3. Влияние рельефа на интенсивность смыва почв талыми водами 64
3.4. Влияние агротехнических приемов на интенсивность смыва почв талыми водами 67
3.5. Противоэрозионная устойчивость свойств почв 77
3.6. Модель величины смыва пахотных почв 88
Глава 4. Особенности агроэкологической оценки динамичности плодородия пахотных почв 98
4.1. Гранулометрический состав пахотных почв и его динамичность 103
4.2. Мощность гумусового горизонта пахотных почв и её динамичность 117
4.3. Содержания гумуса в пахотных почвах и его динамичность 122
4.4. Особенности агроэкологической оценки динамичности реакции среды в пахотных почвах исследуемых территорий 132
4.5. Структурно-агрегатный состав пахотных почв и его динамичность 135
4.6. Оценка динамичности элементов питания 158
Глава 5. Агроэкологическая оценка плодородия пахотных почв 186
5.1. Влияние климатических и геоморфологических условий на урожайность яровой пшеницы 189
5.2. Влияние свойств почв на урожайность яровой пшеницы 198
5.3. Влияние способов обработок на урожайность 219
Глава 6. Методика комплексной агроэкологической оценки плодородия пахотных почв 230
6.1. Принципы выделения уровней агроэкологического состояния пахотных почв 230
6.2. Индикаторы плодородия, определяющие агроэкологическое состояние пахотных почв 235
6.3. Уровни агроэкологического состояния пахотных почв Алтайского Приобья и межгорных котловин Алтая 245
Выводы 302
Предложения производству 305
Рекомендации землепользователю 306
Литература 309
Приложения 344
- Современные проблемы оценки агроэкологического состояния плодородия пахотных почв
- Противоэрозионная устойчивость свойств почв
- Оценка динамичности элементов питания
- Уровни агроэкологического состояния пахотных почв Алтайского Приобья и межгорных котловин Алтая
Введение к работе
Актуальность темы. С развитием цивилизации человек преуспел в освоении природных, в частности почвенных ресурсов, использование которых далеко не безупречно. Природа начинает отвечать человеку на его порой необоснованное, неразумное воздействие. Возросший за последнее столетие антропогенный пресс на пахотные почвы, как правило, снижает их устойчивое функционирование, провоцирует целый ряд негативных изменений в почвообразовательном процессе, обусловливает снижение продуктивности агроценозов, и даже приводит к опустыниванию. Это отмечают в своих работах ряд учёных, а именно, В.А. Ковда (1981); И.А. Крупеников (1981;1992); Г.В. Добровольский, Е.Д. Никитин (1986); R.W. Arnold, I. Szabolcs, V.O. Targulian, 1990; Ф.И. Козловский (1991; 2003); В.И. Кирюшин (2000); Д.С. Булгаков (2002); И.И. Васенёв, Д.А. Букреев, В.Г. Хахулин (2002), Л.М. Бурлакова (2001, 2005, 2008), Г.Г. Морковкин (2011) и др. По оценкам специалистов, в результате нерачительного использования земельных ресурсов человечество уже утратило около 2 млрд. га некогда плодородных земель, превратив их в антропогенные пустыни – бедленды, что составляет около 3% территории планеты (Куракова, 1976; Розанов, 1984; Новиков, 2000).
В Алтайском крае менее чем за четверть века увеличились площади смытых пахотных почв с 1,1 до 2,9 млн. га, а площади дефлированных за этот же период возросли с 3,8 до 4,3 млн. га. Это свидетельствует, что практически не осталось не затронутых водной и ветровой эрозией пахотных почв. Кроме водной и ветровой эрозии в Алтайском крае к прогрессирующим явлениям деградации специалисты относят также подкисление, ощелачивание, засоление, осолонцевание. Агроэкологический кризис пахотных почв Алтая, несомненно, прослеживается на обобщающем показателе - плодородии, которое в результате использования почвенных ресурсов претерпевает изменения, обусловливающие отклонения от естественного почвообразовательного процесса и как следствие снижает урожайность возделываемых культур.
В настоящее время для пахотных почв Алтая нет методического обоснования, не прописаны «правила», позволяющие проводить агроэкологическую оценку плодородия пахотных почв, которые определяли бы интенсивность происходящих изменений, устанавливали причину этих изменений и вовремя предотвращали кризисную ситуацию. Сложившаяся практика использования пахотных почв и развитие деградационных процессов не может обеспечить сохранение почвенного плодородия. Наступило время, когда дальнейшее использование почвенных ресурсов возможно в рамках строго скорректированных нагрузок на стратегический ресурс природного комплекса. Актуальность этой проблемы предопределила цель нашей работы.
Цель работы: выявить агроэкологическое состояние плодородия, разработать и апробировать методику проведения агроэкологической оценки, предложить приёмы рационального использования пахотных почв Алтайского Приобья и межгорных котловин Алтая.
Для достижения цели были поставлены следующие задачи:
1. Определить современное состояние плодородия пахотных почв.
2. Установить роль природных условий, формирующих плодородие пахотных почв и разработать методику комплексной агроэкологической оценки.
3. Выявить значимость факторов и условий, определяющих интенсивность плоскостной водной эрозии и их влияние на агроэкологическое состояние плодородия пахотных почв.
4. Разработать шкалу оценки специфичных состояний свойств почв, характеризующих почвенное плодородие увязанных с урожайностью яровой пшеницы.
5. Разработать информационно-логическую модель формирования урожайности яровой пшеницы с учётом климатических, геоморфологических, агротехнических и почвенных условий.
6. Разработать уровни агроэкологического состояния плодородия пахотных почв и сформулировать принципы их выделения.
7. Разработать индикаторы свойств почв, позволяющих определять степень агроэкологического состояния плодородия.
8. Провести оценку агроэкологического состояния плодородия пахотных почв основных земледельческих зон края.
На защиту выносятся:
- методика комплексной агроэкологической оценки плодородия пахотных почв разработанная на принципах и системном подходе, выделения уровней агроэкологического состояния;
- разработанная шкала динамичности, характеризующая развитие процессов деградации, обусловленных интенсивностью смыва;
- информационно-логическая модель, учитывающая почвенно-климатические, геоморфологические и агротехнические условия;
- уровни агроэкологического состояния плодородия пахотных почв, впервые разработанные на основе индикаторов параметров плодородия, степени и интенсивности деградации, совокупности почвенного покрова и геоморфологических условий;
- информационно-логическая модель формирования урожайности яровой пшеницы, учитывающая природные условия и антропогенное воздействие, позволяющая провести агроэкологическую оценку плодородия пахотных почв уровней агроэкологического состояния;
- диагностическая шкала оценки свойств пахотных почв, участвующих в формировании урожая на основе специфичных состояний;
- агроэкологическое ограничение на использование земельных ресурсов в пашне с учётом выделенных уровней агроэкологического состояния, предотвращающее деградацию, сохраняющее и повышающее плодородие..
Научная новизна работы
Для пахотных почв Алтайского Приобья и межгорных котловин Алтая предложена методика агроэкологической оценки плодородия пахотных почв с учётом интенсивности деградационных процессов.
Разработана шкала динамичности, индикаторы свойств почв, степень деградации, характеризующие агроэкологическое состояние пахотных почв, позволяющее выявить и выделить уровни агроэкологического состояния.
Впервые установлены уровни агроэкологического состояния пахотных почв, позволяющие оценить плодородие, интенсивность деградационных процессов различных зональных земледельческих почв.
Определены величины проявления плоскостного смыва, происходящего в пахотных почвах Алтайского Приобья и межгорных котловин Алтая с использованием информационно-логического анализа, позволяющего прогнозировать их развитие, с разработкой мероприятий по предотвращению.
Разработана информационно-логическая модель формирования урожайности яровой пшеницы, оценивающая уровни агроэкологического состояния, учитывающая климатические, геоморфологические, почвенные условия и основные агротехнические способы обработок почв.
Предложена диагностическая шкала оценки параметров свойств пахотных почв, участвующих в формировании урожая на основе специфичных состояний.
Практическая значимость работы
Разработана система экологических ограничений использования земельных ресурсов в пашне с целью создания экологического равновесия интенсивно используемых территорий в сельскохозяйственном производстве, приостановления развивающихся деградационных процессов, сохранения и повышения плодородия почв.
Материалы диссертационной работы использованы для оценки агроэкологического состояния плодородия пахотных угодий Алтайского Приобья и межгорных котловин Алтая. Разработаны технологические рекомендации по повышению плодородия пахотных почв в хозяйствах: СПК «Коксинское», СПК «Русь», ЗАО «Терек», СПК «Центральный», являющихся типичными эталонами основных почвенно-климатических зон земледельческой территории края.
Основные теоретические положения и результаты исследований используются в лекциях по дисциплинам «Почвоведение», «Физика почв», «Прогнозирование и планирование рационального использования земельных ресурсов», при проведении семинарских, лабораторно-практических занятий, при выполнении курсовых и дипломных работ на агрономическом факультете Алтайского ГАУ.
Апробация работы
Основные положения диссертационной работы докладывались и публиковались в материалах VIII Всесоюзного съезда почвоведов (Новосибирск, 1989), IV съезда почвоведов России (Новосибирск, 2004), V съезда Общества почвоведов им. В.В. Докучаева (Ростов, 2008); международной конференции, посвящённой 100-летию со дня рождения П.Г. Адерихина «Черноземы Центральной России: генезис, география, эволюция» (Воронеж, 2004); Международной научно-практической конференции «Роль почв в сохранении устойчивости ландшафтов и ресурсосберегающее земледелие» (Пенза, 2005); Международной научно-практической конференции, посвященной 65-летию Победы в Великой Отечественной войне «Новые направления в решении проблем АПК на основе современных ресурсосберегающих, инновационных технологий» (Волгоград, 2010); Всероссийской научной конференции «Закономерности изменения почв при антропогенных воздействиях и регулирование состояния и функционирования почвенного покрова» (Москва, 2011); на научно-практических конференциях Алтайского ГАУ (г. Барнаул, 1996-2012 гг.).
Опубликовано 76 работ, в том числе по теме диссертации - 60, из них 11 работ, в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, определенных ВАК РФ.
Структура и объем работы
Современные проблемы оценки агроэкологического состояния плодородия пахотных почв
Отношение человека к почвенным ресурсам (почвенные ресурсы - это плодородные почвы, используемые в сельском и лесном хозяйстве как средства производства) исторически менялось, от слепого преклонения и обожествления в древности до интенсивной антропогенной нагрузки в настоящее время. Причины увеличения антропогенной нагрузки на почвенные ресурсы общеизвестны. Во-первых, это демографический взрыв, начавшийся в двадцатом столетии и характеризующийся небывалым ежегодным приростом населения. Никогда еще темпы роста населения в мире, в абсолютных цифрах, не были столь высокими. Прирост населения в последние 10 лет состаляет более 30%, в то время как до 1950 годов он не превышал 10 % уровня (Слука, 2000). Такие темпы роста населения заставляют общество интенсивней использовать почвенные ресурсы, обостряют их экологическое развитие. Во-вторых, на почвенные ресурсы оказывает влияние развитие научно-технического прогресса, направленного на улучшение качества жизни человека и обеспечения продуктами питания все возрастающей численности населения на планете. Естественно, не сам научно-технический прогресс и рост населения обуславливает агроэкологическое состояние почвенных ресурсов, а нежелание промышленных предприятий, в том числе и аграрных, соблюдать экологические требования при производстве продукции, в силу экономических трудностей и отсутствия малозатратных научных разработок, способствующих экологически безопасному природопользованию.
С развитием цивилизации человек преуспел в освоении природных, в частности земельных и почвенных ресурсов, освоение которых далеко не безгранично. Сельскохозяйственные угодья в мире занимают 37,1% суши, из них пахотные земли всего лишь 10,4 % (приложение 1). Наибольшие площади обрабатываемых земель, в том числе и пахотных, находятся в Азии и Европе.
Это обусловлено достаточно благоприятными природными условиями, способствующими интенсивному освоению территорий в земледельческом отношении. Основными владельцами земельных ресурсов являются такие страны как Россия, Канада, Китай, США, Бразилия, Австралия. Многие крупные государства не всегда хорошо обеспечены сельскохозяйственными угодьями и пашней. Причина этого кроется в их природных условиях. Если страна расположена в приполярных, горных областях или пустыне, то она не обладает обширными территориями пахотно-пригодных территорий. В мире огромное количество и таких территорий, на которых, в результате хозяйственной деятельности человека, потеряно самое ценное, определяющее жизнь и благополучие биосферы - верхний плодородный слой земли, именуемый почвой.
По оценкам специалистов, в результате нерачительного использования земельных ресурсов человечество уже утратило около 2 млрд. га некогда плодородных земель, превратив их в антропогенные пустыни - бедленды (Куракова, 1976; http//www.agro.altai.ru), что составляет около 3% территории планеты. Утерянная площадь больше, чем площадь всей пашни в мире, которая составляет 1,4 млрд. га, это больше площади самой крупной страны - России (1,7 млрд. га).
Одним из показателей интенсивности использования земельных ресурсов может служить обеспеченность человека пашней. На сегодняшний день эта цифра уменьшилась вдвое по сравнению с 80-ми годами прошлого столетия - с 0,4 до 0,21 га. В Канаде, Индии и России сконцентрировано наибольшее количество пашни, однако количество пахотных угодий, приходящихся на 1 человека больше всего в Австралии, Канаде и России. В этом отношении заслуживает внимания и Алтайский край.
Обеспеченность пашней 1 жителя края составляет 2,8 га, что является самым высоким показателем в России. Это заставляет нас задуматься -достаточно ли у нас сил и средств, чтобы качественно использовать этот не восполняемый стратегический ресурс.
Многие специалисты (Будыко, 1979; Антонов, 1999; Каштанов, 2002; Ковда, 1981; Лойко, 2000; Розанов, 1977; Розов, 1979; Строев, 1999; Нестерова, Тишков, 2002) считают, что резервом сельскохозяйственных угодий и, в частности, пашни могут служить лесные земли, на долю которых приходится 29% суши. Наибольшие площади лесных земель расположены в тропическом поясе Южной Америки и на севере Азии - в России.
Американские ученые Дж. Олсон, X. Пфудерер и Джин Хой Чан (1978), рассматривая структуру современной биосферы, предлагают свое видение возможного использования поверхности суши в будущем. По их расчетам, пашня на 2225 г. будет занимать 24% площади суши, пастбища - 28%, устроенные леса 15%) и непригодные для сельского хозяйства земли - 33%). По их мнению, дальнейшее освоение суши и вовлечении ее в пашню произойдет, в основном, за счет сокращения площади лесов. Если принять во внимание существующие вырубки лесов, то такая точка зрения вполне правомерна, однако сокращение площади лесов в значительном объеме приведет к экологической напряженности атмосферы планеты, мировое сообщество вряд ли пойдет по этому пути. Существуют и другие теории потенциального расширения обрабатываемых земель, некоторые из них приведены в приложении 2. Представленные оценки использования земельных ресурсов в пашне существенно отличаются друг от друга, потому что авторы моделей потенциального расширения обрабатываемых земель избрали разные подходы. Минимальную возможность в расширении пахотно-пригодных территорий мировому сообществу предлагает Российская Академия Естественных наук.
По их оценке мировое сообщество имеет возможность увеличить обрабатываемые земли до 1,8 млрд. га. Максимальное количество пахотнопригодных территорий мировому сообществу предлагают американские ученые, в частности, X. Линнеман. По его мнению, количество пахотнопригодных территорий можно довести до 3,4 млрд. га, то есть имеющуюся площадь увеличить вдвое.
Мнение о возможном расширении пахотно-пригодных территорий другими учеными мало различимы. Согласно их расчетам у мирового сообщества еще есть резервы расширения обрабатываемых земель на 40-45%).
Приведенные экспертные оценки основываются на результатах анализа природных условий. По мнению всех экспертов, наилучшими возможностями для расширения площади обрабатываемых земель располагают такие континенты как Африка и Южная Америка. Потенциально плодородные земли Азии освоены более чем на 90%, Европы - почти на все 100% (Шоба, 2003).
Обеспечение населения продуктами питания можно решать не только вовлечением в земледелие новых пахотнопригодных территорий, но и за счет приостановления развивающихся деградационных процессов, приводящих к опустыниванию. Тем самым сокращать трансформацию некогда плодородных почв в пустыню. Однако такой путь развития маловероятен. Не в том плане, что ученым не нужно разрабатывать и внедрять в производство технологии, препятствующие развитию процессов деградации и, как следствие, опустошения используемых в пашне территорий, а в том, что этот процесс в мировом земледелии на протяжении всей истории остановить не удалось.
Многие ученые (Браун, 1977; Лойко, 2000; Алябина, Шоба, 2003 и др.) считают, что проблему обеспечения населения продуктами питания можно решать не только увеличением площадей пахотных угодий, но и за счет повышения продуктивности имеющихся пахотных земель.
Такой путь обеспечения населения продуктами питания, в свое время был разработан Н.Н. Розовым и М.Н. Строгоновой (1979). Они предлагали изменить существующую структуру посевных площадей, в которой зерновые составляют 50-60%, а урожайность 40-45 ц/га. Добиться такой урожайности, по их мнению, возможно за счет мелиорации и повышения эффективности используемых удобрений. При этих условиях можно получать 8-9 млрд. тонн зерна. Если учесть, что 1 тонна зерна в год обеспечивает полноценные условия жизни одного человека, то такой подход может обеспечить продуктами питания 8-9 млрд. человек.
Кроме того, Н.И. Розовым (1979) предлагалась модель, обеспечивающая население планеты продуктами питания за счет регулирования урожайности только климатическими факторами, либо на основе биоклиматического потенциала, учитывая всю биологическую продукцию растений, включая корни и стебли, которые потом переводились в условные зерновые единицы. Такой расчет позволял прокормить 15 млрд. человек. Кроме перечисленных вариантов обеспечения населения продуктами питания заслуживает внимания идея, основанная на использовании фотосинтетически активной солнечной радиации (ФАР), на основе которой можно увеличить на 50% продуктивность имеющихся пахотных угодий, что позволило бы обеспечить продовольствием население в 25-30 млрд. человек.
Более современная модель, предложенная П.Ф. Лойко (2000) еще более впечатляющая. По его расчетам, потенциально пахотнопригодных земель в мире 2,6 млрд. га (обрабатываемых в настоящее время 1,5 млрд. га плюс 1,1 млрд. га земель, которые можно освоить), это может обеспечить продуктами 35-40 млрд. человек.
Разумеется, авторы изложенных теоретически обоснованных моделей увеличения пахотных территорий для обеспечения населения продуктами питания учитывали почвенный покров и убедительны в том, что лучшие почвенные разности уже вовлечены в оборот. Если человеку придется осваивать в пашне новые территории, то они будут низкого качества, возможно в неудобных по рельефу местах, то есть будут более затратными. Поэтому прежде чем принять решение по освоению новых территорий, мировому сообществу необходимо способствовать приостановлению деградационных процессов на имеющихся пахотных почвах, большая часть которых, на наш взгляд, приблизилась к катастрофическому уровню потенциального плодородия. Наступило время, когда дальнейшее развитие возможно лишь в рамках строго заданных нагрузок на пахотные почвы.
Стало совершенно очевидно, что стремление решать задачи сегодняшнего дня, игнорируя требования сохранения полноценности пахотных угодий - это путь, который оборачивается потерями в настоящем и сулит еще большие потери в будущем.
Противоэрозионная устойчивость свойств почв
Кроме агротехнических приемов, оказывающих влияние на эрозионные процессы, не менее значимыми условиями, определяющими противоэрозионную устойчивость почв, считают свойства почв. В настоящее время имеются обширные материалы, характеризующие противоэрозионную устойчивость почв (эрозионная стойкость почв). Под которой понимают способность почв противостоять смывающему действию поверхностного стока воды различного генезиса (Виленский, 1958; Гуссак 1938, 1959; Беннет, 1958; Качинский, 1958; Сластихин 1964; Соболев, 1970; Ганжара, 1973; Гудзон 1974; Швебс, 1974; Кузнецов, Глазунов, 1996; Гариффулин, Федоров, 1997; Альберте, Гидей 1997; Баженова 1997, Танасиенко, 2003 и др.). Противоэрозионная устойчивость почв определяется всем комплексом физико-механических, водно-физических, химических свойств почв. В свое время Wischmeier (1978); Brandford, Piest (1977); Dong et al. (1983), вывели линейное уравнение противоэрозионной устойчивости почв (Путилин, 2002). В этом уравнении учитывались 24 почвенных параметра, указывалось о наиболее тесной связи между смывом почв и содержанием гумуса (коэффициент корреляции - г - 0,44), глинистых частиц (г -0,44), песчаных частиц (г - 0,33) показателем структурности (г - 0,23). Позднее Ц.Е. Мирцхулава (1970) рассмотрел несколько меньшее количество почвенных параметров - 12, определяющих противоэрозионную устойчивость почв, которые по значимости несколько отличались от результатов эрозионной стойкости почв выше приведенных авторов. Это указывает на то, что единой точки зрения в этом вопросе нет, да и быть не может, поскольку противоэрозионная устойчивость почв зачастую определяется природными условиями, а почвенные условия - лишь сопутствующая составляющая рассматриваемого процесса. Вычислить роль того или иного почвенного параметра в эрозионной стойкости почв сложно. Как известно, совокупность всех свойств характеризует единый сложный организм, и при незначительных изменениях одного из свойств могут произойти существенные изменения другого, что, в свою очередь, изменит противоэрозионную устойчивость почв. Например, уменьшение гумуса в почве влечет за собой изменения структуры, структура в свою очередь, влияет на водопроницаемость и т.д. То есть, все свойства почв связаны между собой. Кроме того, на интенсивность эрозионных процессов оказывают влияние и выше рассмотренные природные условия, которые могут также либо увеличивать противоэрозионную усойчивость почв, либо снижать. Несмотря на описываемую сложность влияния свойств почв на противоэрозионную устойчивость, используя информационно-логический анализ, мы установили значимость тех или иных свойств почв в эрозионной стойкости. На наш взгляд, такая значимость является характерным явлением только для тех территорий, на которых проводились исследования. Мы понимаем, что установленная значимость в виде модели сложна для практического применения, но в то же время используемая методика позволяет теоретически обосновать поведение эрозионных процессов и предложить более конкретные мероприятия, обуславливающие снижение эрозии.
Гранулометрический состав считают наиболее важным свойством, определяющим противоэрозионную устойчивость почв. Почвы одинакового генетического типа, но характеризующиеся разными разновидностями, создают контрастные противоположные условия, такие как водный, воздушный, тепловой, пищевой режимы, и как следствие, обуславливают различную противоэрозионную устойчивость. Более тяжелые по гранулометрическому составу почвы содержат больше илистой фракции, они прочнее связывают между собой элементарные почвенные частицы, способны к лучшему структурообразованию, характеризуются большей противоэрозионной устойчивостью и наоборот, почвы более легкого гранулометрического состава обладают меньшей противоэрозионной устойчивостью.
Однако, по мнению Г. Конке и А. Бертран (1962), опасность эрозии на песчаных почвах, несмотря на легкую отделимость частиц, не велика, даже если на них возникает сток. Авторы объясняют это тем, что более крупные элементарные почвенные частицы тяжелее транспортируются потоками воды. Исследованиями В.Б. Гуссака (1950) установлено, что почвы более тяжелые по гранулометрическому составу, подвержены смыву меньше, чем супесчаные, поскольку противоэрозионная устойчивость почв определяется соотношением в них физического песка и физической глины. Большее количество песчаных частиц ослабляет способность почвы сопротивляться эрозии, а увеличение содержания глинистых фракций уменьшает отделимость почвенных частиц, хотя транспортабельность отделенных глинистых фракций будет значительно выше, чем песчаных. Учитывая различные точки зрения относительно влияния гранулометрического состава на противоэрозионную устойчивость, нами, с помощью информационно-логического анализа, было рассмотрено влияние гранулометрического состава на интенсивность смыва в исследуемых объектах (рис. 16).
При наибольшем содержании в пахотных почвах илистой фракции величина смыва характеризуется как слабая. Уменьшение содержания илистой фракции до 17% способствует увеличению величины смыва до очень сильного уровня, что вполне логично и отвечает общим представлениям. Большее количество илистой фракции способствует лучшей агрегируемости почв, обуславливающей противоэрозионную устойчивость и, наоборот, меньшее содержание илистой фракции обладает меньшей структурообразующей способностью, которая, в свою очередь, способствует меньшей эрозионной стойкости почв.
Кроме того, противоэрозионная устойчивость почв определяется и свойствами коллоидно-дисперсных минералов, которые преобладают в илистой фракции. Как установлено исследованиями Ц.Е. Мирцхулава (1970), каолинит, относящийся к малонабухающим минералам, способствует относительно низкой противоэрозионной стойкости почв, так как он обеспечивает слабое сцепление между частицами. Наоборот, породы, в которых преобладают гидрофильные минералы - монтмориллонит и ему подобные, характеризуются сравнительно высоким сцеплением и противоэрозионной устойчивостью. При условии равного сцепления повышение гидрофильности сопровождается понижением сопротивляемости грунтов размыву.
При рассмотрении влияния физической глины на интенсивность смыва в пахотных почвах была установлена такая же зависимость, как и с илистой фракцией. Тяжелосуглинистые разновидности, с содержанием физической глины более 45%, менее подвержены эрозионным процессам. На почвах с такой разновидностью величина смыва либо не превышает допустимой нормы смыва, либо находится на среднем уровне. Среднесуглинистые разновидности с содержанием физической глины от 30 до 45% характеризуются величеной смыва от среднего до сильного. Пахотные почвы легкосуглинистых разновидностей, либо близкие к ним в процентном содержании по физической глине, наиболее подвержены эрозионным процессам и их величина смыва находится на очень сильном уровне. Такое влияние физической глины на величину смыва объясняется теми же причинами, что и для илистой фракции, поскольку, она находится в градации «физической глины».
Немаловажным показателем противоэрозионной устойчивости считают структурно-агрегатное состояние почв, поскольку это состояние определяет способность почв впитывать влагу, а её качественные характеристики, такие как водопрочность, механическая прочность обуславливают способность противостоять размывающему действию воды, а следовательно деградационным процессам. Рассматривая влияние структурно-агрегатного состава на величину смыва, можно отметить, что большее количество водопрочных и структурных агрегатов способствует снижению величины смыва (рис. 17). Количество водопрочных агрегатов, соответствующее их содержанию более 50% (по оценочной шкале - удовлетворительное), определяет величину смыва, соответствующую норме смыва. Уменьшение водопрочных агрегатов до 40-50% (неудовлетворительное состояние водопрочных агрегатов) характеризует уровень интенсивности смыва от слабого до значительного. При содержании водопрочных агрегатов менее 20% интенсивность смыва максимальна и соответствует очень сильному смыву. Аналогичная зависимость наблюдается при рассмотрении влияния структурного состава на величину смыва. Однако при содержании структурных агрегатов менее 20% и 20-40%) интенсивность смыва может иметь более низкие значения, соответствующие значительному и даже среднему уровню что, по-видимому, можно объяснить тем, что пахотные почвы, в основном, характеризуются очень низкой структурностью.
Оценка динамичности элементов питания
Плодородие почв и его эволюционное развитие определяется не только мощностью гумусового горизонта, содержанием гумуса, реакцией среды, гранулометрическим составом и т.д., но и содержанием в почве элементов питания. Многие исследователи (Адерехин, Щербаков, 1974; Гамзиков, 1981; Бурлакова, 1984; Антипина, 1991; Ермохин, 1995; Антонова, 1997; Пивоварова, 2006) считают, что элементы питания являются основополагающими факторами в формировании урожая. При этом перечисленные свойства почв разделяют на условия и факторы роста и развития растений, которые равноценны и незаменимы. Факторы непосредственно участвуют в формировании урожая, условия определяют и в тоже время корректируют поведение факторов. Например, при содержании в почве воды ниже критического уровня - влажности устойчивого завядания, наличие в почве подвижных элементов питания снижается. При максимально низком содержании влаги в почве, становится критически низким и содержание подвижных элементов питания, ничем другим повысить активность мобилизации элементов питания невозможно. При поступлении воды в почву (в виде осадков) коллоидные частицы, если они были низко гидратированы, в почвенном растворе из состояния гель переходит в состояние золь. Такой переход обусловлен процессом пептизации и образованием почвенного раствора, в котором содержатся элементы питания, доступные для растений (в основном в ионной форме). При испарении воды из почвы коллоидная часть раствора постепенно переходит в состояние гель (коллоидный осадок), что обусловлено процессом коагуляции. При этом коллоиды теряют заряд и происходит их слипание. Раствор, в котором находились подвижные элементы питания, переходит в состояние гель, и в дальнейшем возможен переход в твердую фазу почвы. Это состояние можно комментировать как состоянием почвы, в которой есть элементы питания, но при сложившихся условиях они не доступны для растений.
В настоящее время учеными установлено, что питание растений - это сложный процесс обмена веществ между растением и средой. Он регулируется биотическими и абиотическими факторами, компонентами почвы и экосистемы в целом. Мобилизация подвижных элементов питания в почвах динамична, зависит от климатических, геоморфологических, почвенных и других условий, от состава твердой фазы почвы, от количества и качества живого и мертвого растительного материала, надземных и подземных ярусов биогеоценоза, от жизнедеятельности мезофауны и микроорганизмов, антропогенного воздействия и много другого.
Почва в своем составе содержит почти все элементы таблицы Д.И. Менделеева, которые в той или иной степени характеризуют потенциальное плодородие. Для формирования урожая растениям в большом количестве необходим азот, фосфор, калий. Их валовое содержание исчисляется десятыми долями или целыми процентами. Почвы далеко не равноценны по плодородию, следовательно, и по содержанию в них элементов питания, на что указывали в своих работах многие исследователи (Докучаев, 1950; Кравков, 1978; Гамзиков, 1981; Ермохин, 1995; Ягодин, 2002 и др.). Теоретически запасы основных элементов питания в почвах можно подсчитать. Если учесть, что 1 га почвы слоем 0,2 м (обрабатываемый слой) при плотности 1,2 г/см3 (равновесное состояние плотности пахотного горизонта) предполагает содержание в почве азота в интервалах 0,38-0,58% (типичное содержание в черноземных почвах Алтая, по данным исследований Г.П. Гамзикова, (1981), его запас будет составлять от 912 до 1392 кг. Таким же образом можно подсчитать и содержание на 1 га почвы фосфора и калия. Учитывая минимальные и максимальные возможные значения в черноземных пахотных почвах Алтая этих элементов (соответственно 0,15-1,35%; 2,1-2,4%), на одном гектаре почвы слоем 0,2 м может содержаться от 360 до 840 кг фосфора, от 5040 до 5760 кг калия. Суммарное количество NPK при их на 1 га будет составлять от 6000 до 7992 кг. Таким образом, казалось бы, что в обрабатываемом слое почв запасов питательных веществ должно хватить на многие тысячелетия, даже не соблюдая элементарных правил системы земледелия, обеспечивающей бездефицитный баланс элементов питания, однако возделываемые культуры зачастую испытывают их недостаток, обусловленный причинами, в основном, связанными с их мобилизацией.
Для более объективной оценки обеспеченности пахотных почв валовыми и подвижными формами макроэлементов, и их динамики, позволяющей проанализировать происходящие изменения, обуславливающие агроэкологическую напряженность плодородия пахотных почв в почвообразовательном процессе, на исследуемых территориях проводились почвенно-агрохимические обследования с составлением картограмм обеспеченности пахотных почв подвижными элементами питания. Для сравнительной оценки, характеризующей современное состояние и возможные изменения в пахотных почвах, использовали материалы собственных исследований, Федеральной государственной агрохимической службы «Алтайский» по Алтайскому краю, материалы почвенных обследований ОАО «АлтайНИИГипрозем» и литературные данные (Розанов, 1959; Бурлакова, 1988 и др.) представленные в таблицах 23 и 24.
Антропогенная нагрузка в виде использования почвенных ресурсов в пашне может оказывать как положительное, так и отрицательное влияние на содержание валовых и подвижных форм макроэлементов, зачастую этот вопрос и вызывает дискуссию.
Положительное антропогенное воздействие, способствующее повышению содержанию валовых и подвижных форм макроэлементов, может быть обусловлено, во-первых, созданием благоприятных условий, стимулирующих ход почвообразовательного процесса, во-вторых, может быть обусловлено внесением органических и минеральных удобрений, в третьих, агротехническими приемами, системой севооборотов, внесением органических и минеральных удобрений способствующих повышению интенсивности процессов выветривания. Естественно, на первый план мы выдвигаем агротехнические приемы, которые направлены на то, чтобы создать эти условия. На второй - систему севооборотов, направленную на положительный баланс органического вещества, и, как следствие, положительно меняющийся количественно-качественный состав макроэлементов.
О развитии деградационных процессов в пахотных почвах и их последствиях было рассмотрено выше, статистически доказана деградация некоторых свойств почв. Обращает на себя внимание то, что деградируют те свойства почв, которые определяют условия в поведении макроэлементов. Следовательно, динамика элементов питания при использовании почвенных ресурсов в пашне должна обуславливать согласуемые изменения с выше рассматриваемыми свойствами почв. Однако, рассматриваемый нами временной отрезок в 30 лет и более с использованием ведомственных и литературных материалов свидетельствуют о том, что достоверных изменений валового содержания форм элементов азота, фосфора и калия не наблюдается. В то же время прослеживается четкая закономерность уменьшения этих элементов во времени. В большей степени изменения валового содержания форм азота, фосфора, калия отмечаются в почвенно-климатических зонах колочной степи и лесостепи, в меньшей степени - в предгорных равнинах и межгорных котловинах Алтая.
По-видимому, пахотные почвы предгорных равнин и межгорных котловин Алтая более устойчивы к антропогенному воздействию.
Общеизвестно, что валовое содержание азота в верхних генетических горизонтах черноземных почв Западной Сибири находится в интервалах от 0,38 до 0,58% (Гамзиков, 1981). Вместе с тем, встречаются публикации, свидетельствующие о снижении валового содержания азота при интенсивном использовании почв в пашне.
В условиях Предалтайской почвенной провинции, по мнению Л.М. Бурлаковой (1984), Л.Б. Нестеровой (2004) валового содержание азота может уменьшаться до 0,25% и менее.
Обобщая выше приведенный материал можно констатировать, что валовое содержание азота, в целом, находится в выше указанных интервалах. Отдельные объекты, расположенные в тех или иных зонах, могут характеризоваться как несколько меньшими, так и более высокими значениями валового азота.
Максимальное содержание азота в пахотных почвах предгорных равнин и межгорных котловинах Алтая - до 0,6%. Лесостепные территории характеризуются несколько меньшими значениями, но показатели остаются на достаточно высоком уровне. В пахотных почвах умеренно засушливой колочной степи валовое содержание азота самое низкое - от 0,20 до 0,30%, это на порядок ниже, чем в предгорных равнинах и межгорных котловинах Алтая. На наш взгляд, объяснить такое количественное присутствие элементов фосфора и калия можно минералогическим составом почвообразующих пород и интенсивностью почвообразовательного процесса, которые, в свою очередь, обусловлены антропогенной деятельностью и природными условиями зон.
Уровни агроэкологического состояния пахотных почв Алтайского Приобья и межгорных котловин Алтая
Пахотные почвы при проведении агроэкологической оценки рассматриваются нами как самостоятельная природная система, развивающиеся под воздействием не только климата, рельефа, гидрографии, почвообразующих пород, животного и растительного мира, но и антропогенного фактора, обуславливающего изменение биотических и, в какой-то мере, абиотических процессов. Безусловно, пахотные почвы, также как и почвы естественных формаций, являются индивидуумом или педоном (Белицина и др., 1988), или единичной элементарной почвой (Дмитриев, 1995), или элементарным почвенным ареалом (Фридланд, 1972), которые, как правило, подвержены деградационным процессам и нуждаются в системном агроэкологическом подходе по их использованию. Естественно, почвенный индивидуум представляет собой трехмерное тело, по определению Я.М. Годельмана (1981), характеризуется строением вертикального распространения целым рядом взаимосвязанных специфических свойств, среди которых плодородие является основополагающим, занимает пространственное расположение, характеризуется разнообразием геометрий ареалов.
Совокупность индивидуумов на определенной территории именуют почвенным покровом. Термин «структура почвенного покрова» впервые предложил А.Н. Розанов, под которым он понимал систематический состав почв определённой территории. Употребляли этот термин и для характеристики соотношения в хозяйствах и природных районах площадей почв, относящихся к различным агропроизводственным группам (Фридланд, 1972). Структура почвенного покрова по В.М. Фридланду, (1965, 1972) представляет собой «...совокупность всех однообразных неоднородностей почвенного покрова суши. Конкретная структура почвенного покрова характеризуется многократно ритмически повторяющимися в пространстве чередованиями определенных почв, создающих устойчивый состав и рисунок почвенного покрова, устойчивые механизмы геохимических и географических связей между входящими в данную структуру почвами». В отличии от естественных почвенных формаций, пахотные почвы в большей степени подвержены изменению и, как правило, в негативную сторону, но они также представлены элементарными почвенными ареалами, а совокупности последних характеризуют структуры почвенного покрова.
Как отмечали в своих работах С.С. Неуструев, (1915, 1930); Л.И. Прасолов (1927); Н.М. Сибирцев (1951); В.В. Докучаев (1883), строение почвенного покрова мозаично. Мозаичность - явление не случайное, а вполне закономерное, определяемое целой группой причин. Явление мозаичности более ярко проявляется в пахотных почвах. Установление закономерностей мозаичности почвенного покрова позволило С.С. Неуструеву (1915) дать важное для географии почв представление о наличии в природе определенных комбинаций (комплексов и сочетаний) разных почв, закономерно повторяющихся в пространстве и определяющих неоднородность почвенного покрова. Эта неоднородность почвенного покрова в пахотных почвах прогрессирует в негативную сторону, требует комплексной агроэкологической оценки, позволяющей на её основе разработать мероприятия, приостанавливающие развитие деградационных процессов.
В настоящее время такими учеными как А.Г. Бабаев (1980), Б.В. Виноградов (1984, 1993), Г.В. Добровольский, Л.А. Гришина (1985), Б.Г. Розанов (1990), В.И. Кирюшин (1996), Б.Ф. Апарин, А.В. Русаков, Д.С. Булгаков (2002) и др.4 предлагаются экологические подходы использования почвенных ресурсов и других природных систем. Они рассматривают экологические вопросы, основываясь на изменении глобальных систем средне- и мелкомасштабного характера от естественного (квазикоренного) состояния до полного катастрофического разрушения почвенных ресурсов.
Экологически оценивая природные системы, Б.В. Виноградов (1993) предложил выделять три зоны (уровня) экологического нарушения естественных природных систем. Позднее К.М. Петровым (1997) была проведена оценка антропогенных изменений природной среды с использованием зон экологического нарушения.
- Зона экологического риска включает территории с заметным снижением продуктивности и устойчивости экосистем, максимумом нестабильности, ведущих в дальнейшем к спонтанной деградации, но с ещё обратимыми нарушениями, предполагающими сокращение хозяйственного использования и поверхностного улучшения. Деградация земель в выделенной зоне характеризуется уменьшением площади на 5-20%;
- Зона экологического кризиса включает территории с сильным снижением продуктивности и потерей устойчивости, труднообратимыми нарушениями экосистем, предполагающими лишь выборочное их хозяйственное использование и планирование глубокого улучшения. Деградация земель наблюдается на 20-50% площади;
- Зона экологического бедствия (катастрофы) включает территории с полной потерей продуктивности, практически необратимыми нарушениями, полностью исключающими территорию из хозяйственного использования и требующие коренного улучшения. Деградация земель превышает 50% площади (цитировано по К.М. Петрову 1997).
На наш взгляд, используемый термин «зона» вполне приемлем для оценки экологической напряженности глобальных природных систем, которые, как правило, оцениваются совокупностью ботанических, зоологических и почвенных критериев, но не совсем логично его использовать при агроэкологической оценке пахотных почв. При агроэкологической оценке пахотных почв локальных территорий (под локальной территорией мы подразумеваем территории, имеющие естественные природные границы, которые можно отобразить в рамках крупного масштаба) логичнее было бы их именовать уровнями, а не зонами, так как, в большинстве случаев, изменения происходят внутри ареала. Хотя в иных случаях могут меняться и границы самого ареала. Дефиниция термина «уровень» это показатель величины, степень развития процесса (http://ru.wiktionary.org). Мы считаем, что изменения границ почвенного покрова - это критические преобразования, хотя исследования показали, что при интенсивном развитии деградационных процессов это неизбежно приводит к изменению границ элементарного почвенного ареала, но все-таки только элементарного почвенного ареала, а не границ зоны, как территориальной единицы. Поэтому агроэкологическая оценка пахотных почв сельскохозяйственных предприятий должна проводиться в крупном масштабе и не должна предопределять «летальный» исход, а по возможности не допускать изменение границ элементарного почвенного ареала. Крупномасштабная оценка агроэкологического состояния пахотных почв (локальные территории), объективно характеризует современное состояние плодородия, при этом не теряются важные особенности происходящих изменений при антропогенной нагрузке.
На основании выше изложенного и представленного ниже материала предлагаем под уровнями агроэкологического состояния пахотных почв понимать структуру почвенного покрова, ареал которой ограничивается состоянием допустимого временного отклонения индикаторов плодородия, обуславливающих степень деградации, учитывающих геоморфологические и другие особенности территории. По сути это организация территории пахотных почв на агроэкологической основе, позволяющая приостановить развитие деградационных процессов и повысить эффективность их использования. В этой организации территории основополагающим звеном являются экологические нарушения, обусловленные антропогенной деятельностью в виде развивающихся деградационных процессов. Индикаторы характеризуют происходящие временные изменения плодородия, что указывает на отклонения в развитии пахотных почв от естественного почвообразовательного процесса.
Предложенная трактовка уровней агроэкологического состояния оценивает происходящие изменения плодородия пахотных почв, однако она может быть использована и при оценке загрязнения пахотных почв тяжелыми металлами, радиоактивными элементами, пестицидами и др.
На исследуемой территории можно выделять такие уровни агроэкологического состояния, как «Норма», «Риск», «Кризис» и «Бедствие». Кроме того, внутри уровней агроэкологического состояния, «Кризиса» и «Риска» предлагаем более дробную шкалу, позволяющую более объективно оценивать состояние пахотных почв, что обусловлено разной направленностью и интенсивностью деградационных процессов. В общей схеме под территорией именуемой «Риском», мы подразумеваем территорию, на которой есть признаки природных условий, обуславливающие, возможно, влекущие за собой негативные изменения при антропогенной нагрузке. Так, например, выделенные территории характеризуются эрозионной опасностью, обусловленной крутизной склона, но пахотные почвы на данном этапе развития не подвержены эродированности, поэтому могут характеризоваться нулевой или первой степенью деградации. К уровню агроэкологического состояния «Кризис» мы относим территории, которые уже подверглись тому или иному антропогенному воздействию и характеризуются определенной степенью деградации. Естественно, этому способствуют, во-первых, природные условия, допустим крутизна склона, во-вторых, антропогенное воздействие. Исходя из вышеизложенного, можем дать определение предлагаемым уровням агроэкологического состояния.
