Введение к работе
Актуальность проблемы. Обладая колоссальным богатством – половиной площади черноземных почв, Россия и в 21 веке не может обеспечить продовольственную безопасность. Основная часть черноземных почв сосредоточена в ЦЧЗ, которая расположена в двух природно-климатических зонах: лесостепной 14 млн 113 тыс. га (83.3% общей площади) и степной – 2 млн 670 тыс. га (16.7%). Черноземы выщелоченные занимают 31.2% площади с.-х. угодий. В лесостепи, они наряду с черноземами типичными являются фонообразующими почвами и преобладают в структуре почвенного покрова.
Площадь пашни ЦЧЗ - 11 млн га, 2.3 млн га сенокосов и пастбищ, леса и кустарники 1.7 млн га. В структуре с.-х. угодий региона явно доминирует пашня, на долю которой приходится 78-86%, а наиболее распахана территория Липецкой области. Нарушен экологический баланс между пашней и другими угодьями, что обусловило повсеместное развитие эрозии, дегумификации и подкисления почв.
Доля пашня с содержанием гумуса менее 6% составляет 66.5%, а с содержанием гумуса более 6% всего 33,4%. В Белгородской и Воронежской областях, площадь пашни с содержанием гумуса 8.1-10.0% составляет 200 и 300 га соответственно. В Курской области таких почв нет. Только в Липецкой и Тамбовской областях доля пашни с содержанием гумуса 8.1-10.0% составляет 2.0 и 2.6% соответственно.
Доля пашни с повышенной кислотностью в ЦЧЗ составляет 51%, подвержено эрозии 24,9%, с очень низким, низким и средним содержанием подвижного фосфора - 43%, с очень низким, низким и средним содержанием обменного калия - 25%.
Вынос элементов питания в 5-6 раз превышает их поступление с удобрениями. Применение минеральных удобрений и извести снизилось в 13 раз. Процесс этот ничем не сдерживается. Начатые в конце 80-х годов работы по известкованию черноземов были быстро свернуты уже в начале 90-х. Главной причиной прекращения этих работ был сложившийся к этому времени диспаритет цен. Стоимость известкования 1 га пашни в Воронежской области возросла на порядки, сделав его нерентабельным.
Цель работы – исследовать влияние длительного применения удобрений и мелиорантов на трансформацию карбонатно-кальциевой системы, минеральной матрицы и гумусное состояние, деградацию черноземных почв лесостепи Окско-Донской равнины.
Для достижения этой цели решались следующие задачи:
1. Изучить влияние многолетнего внесения минеральных удобрений и мелиорантов на трансформацию карбонатного режима изучаемых почв.
2. Установить основные закономерности трансформации минеральной матрицы черноземных почв.
3. Изучить особенности состава, строения и физико-химических свойств гумусовых кислот черноземных почв, исследовать кинетику и равновесия в системе гумат - соединения кальция для оптимизации процесса химической мелиорации черноземных почв.
4. Выявить влияние длительного применения органических, минеральных удобрений и известковых материалов на содержание и запасы гумуса в выщелоченном черноземе, оптимизацию гумусного состояния.
5. Провести моделирование состава и строения гумусовых кислот, взаимодействия с минеральной матрицей для целей прогнозирования их реакционной способности при оптимизации процесса мелиорации.
Научная новизна исследований и их теоретическая значимость. Впервые на черноземе выщелоченном доказано, что длительное применений удобрений существенно ускоряет естественные процессы выщелачивания и декальцирования профиля, что обусловливает трансформацию минеральной матрицы изучаемой почвы, гумусного состояния и, как следствие, деградацию.
В модельных опытах установлено, что циклическое воздействие катионов минеральных удобрений в сочетании с кислотными осадками существенно понижают величину рН. После всех циклов величина рН не восстанавливается до исходного уровня на всех вариантах опыта. Однако уровень рН на вариантах с дефекатом остается выше, чем на всех вариантах опыта, что указывает на высокую буферную способность почвы этих вариантов.
Впервые установлено, что под влиянием минеральных удобрений в почве развиваются процессы декарбоксилирования гумусовых кислот. По содержанию карбоксильных групп исследуемые гумусовые кислоты образуют ряд: абсолютный контроль > вариант с дефекатом > вариант с N120P120K120 > целина. Длительное применение минеральных удобрений повышает количество миграционных форм гумуса, в результате нисходящего перемещения они аккумулируются в нижней части профиля в зоне влияния пульсационных форм карбонатов. Применение дефеката снижает количество миграционных форм гумуса и способствует их аккумуляции в верхней части профиля.
Установлено, что при мелиорации черноземов с повышенной кислотностью не следует допускать избытка мелиоранта, т.к. наиболее полно реакции обмена протекают при недостатке мелиоранта. Выявлено, что применение агрохимикатов снижает способность почв к ионному обмену.
Установлено, что применение дефеката компенсирует процесс декальцирования профиля черноземных почв, что обусловливает стабилизацию гумусного состояния.
Защищаемые положения.
1. Естественный процесс декальцирования существенно усилен и ускорен повышенной протонной нагрузкой на карбонатно-кальциевую систему - протона водорода кислотных осадков (техногенное выщелачивание) и катионов минеральных удобрений (агрогенное декальцирование). Современный процесс почвообразования протекает под воздействием пульсирующего водно-солевого режима, обусловливающего пульсирующий режим карбонатов.
2. Деградация обусловлена процессом декальцирования черноземных почв и сопряженной с ним трансформацией карбонатно-кальциевой системы, минеральной матрицы и гумусного состояния.
3. Трансформация минеральной массы, сопровождающаяся диспергированием гранулометрических фракций, существенно изменяет состояние общей и активной поверхности, что влияет на процессы закрепления гумусовых веществ на минеральной матрице.
4. Гумусовые кислоты представлены макромолекулами, а выделяемые группы и фракции являются следствием анализа.
5. Регулярное известкование рассматривается как компенсирующее деградацию мероприятие, позволяющее стабилизировать и /(или) обеспечить реградацию черноземных почв.
Практическое значение результатов исследований. Выявлены основные закономерности влияния длительного применения удобрений и мелиорантов на минеральную матрицу и гумусное состояние изучаемых почв. Выявлены основные закономерности деградации черноземных почв с количественной и качественной оценкой. В качестве компенсирующего мероприятия предложено теоретически обоснованное поддерживающее известкование.
Фактический материал и основные теоретические положения работы используются при чтении курсов лекций по почвоведению, воспроизводству плодородия почв, читаемых на факультете агрохимии, почвоведения и экологии ВГАУ им. К.Д. Глинки.
Личный вклад автора. Автору принадлежат: постановка проблемы, разработка методологии и программы исследований, полевые исследования, отбор и анализ почвенных образцов для изучения гранулометрического состава, физико-химических свойств, количественного и качественного состава гумуса, моделированию процессов взаимодействия гумусовых кислот с минеральной матрицей, прогноз оптимизации процесса мелиорации почв кальцийсодержащими мелиорантами.
В работе использованы материалы, полученные лично автором (80%), при его активном участии и под его руководством в рамках научно-исследовательских работ Государственного комитета РСФСР и по делам науки и высшей школы по следующей проблеме:
- «Разработать научные основы оценки качества почвы, ее производительной способности и преобразования плодородия по экологическим критериям риска и кризиса» номер госрегистрации 01.2001.003985.
Апробация работы. Результаты работы докладывались на Международных научно практических конференциях и форумах: Киев, 2000; Шортанды, 1993; Горки 2001; Воронеж 1991, 1998, 2003, 2004, Елец 2008; Туапсе 2008; С.-Пербург, 2009, 2011; Всероссийской конференции ФАГРАН, Воронеж, 2002; Нижний Новгород, 2008; Всесоюзных научно-практических конференциях: Новосибирск 1986, Алма-Ата 1989; Республиканских научно-практических конференциях: Волгоград, 1989, Киев, 1989, 1990, 1994; Межрегиональных научно-практических конференциях: Белгород, 1997, 1998, Воронеж, 1991, 1998, 2004, 2009; Региональных научно-практических конференциях: Воронеж, 1989, 2000, Тамбов, 1998; XII конференции почвоведов, агрохимиков и земледелов Среднего Поволжья и Урала, Казань, 1991; Зональных семинарах, Пенза 1990, 1992, 1993; научной конференции СПбГАУ 2010; Межд. Интернет-конференции, Орел 2009; на ежегодных научно-практических конференциях профессорско-преподавательского состава ВГАУ 1980-2010 гг.
Публикации. По результатам исследований опубликовано 130 научных работ, в т.ч. 2 авторских свидетельства и 19 работ в списке изданий, рекомендованных ВАК.
Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 360 страницах машинописного текста, включает 80 таблиц 39 рисунков, 10 приложений. Работа состоит из введения, 7 глав, выводов, предложений производству. Список литературы включает 426 наименований, в т.ч. 43 на иностранном языке.
Автор выражает глубокую признательность профессору Мязину Н.Г. за постоянную помощь и поддержку при выполнении работы, профессору Котову В.В. за научные консультации, полезные советы и рекомендации, доценту Гасановой Е.С., заведующей опытным полем Ходуновой Т.В., аспирантам Ненахову Д.В. и Цыплакову С.Е. за помощь в оформлении работы.
