Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Проблема повышения плодородия малопродуктивных и деградированных почв
1.1 Понятия и определения продуктивности земель и плодородия почв 12
1.2 Распространение и характеристика природных малопродуктивных земель и деградированных почв
1.2.1 Характеристика природных малопродуктивных почв 23
1.2.2 Снижение почвенного плодородия в результате деградации почвенного покрова
1.3 Способы повышения продуктивности деградированных земель 41
1.4 Концептуальная модель повышения плодородия почв 48
Выводы по главе 1 53
Глава 2 Состав и свойства сапропелей как мелиорантов длительного действия для повышения почвенного плодородия
2.1 Состав и свойства сапропелевых отложений 55
2.2 Органическое вещество сапропелей. Влияние условий формирования на свойства и состав ОВ
2.3 Гуминовые вещества сапропелей, их влияние на почву и растения 73
2.4 Гипотеза аквальной и субаквальной трансформации органического вещества
2.5 Минерально-компонентный состав сапропелей 97
2.5.1 Минералогический состав сапропелей 97
2.5.2 Элементный состав зольной части сапропелей 103
2.6 Кислотно-щелочные буферные свойства сапропелей и торфосапропелевых смесей
2.7 Биологическая активность сапропелей. Экспресс-метод оценки биологической активности пресноводных сапропелей
Выводы по главе 2 125
Глава 3 Теоретический подход к оценке и регулированию энергетического состояния почв
3.1 Пути трансформации энергии в экологических системах 129
3.2 Энергетика почвообразования. Методы оценки энергетических запасов почвенного гумуса и органического вещества
3.3 Методика расчета биоэнергетического потенциала органических соединений
3.4 Биоэнергетический потенциал органического вещества урожая 169
Выводы по главе 3 175
Глава 4 Теоретическое обоснование состава удобрительномелиорирующих смесей на основе сапропелей для повышения продуктивности почв путем активизации процессов гумусообразования
4.1 Исторический обзор создания и применения смесей на основе са- пропелей
4.2 Теоретическое обоснование вещественного состава удобрительно- мелиорирующих смесей на основе карбонатных сапропелей
4.3 Теоретическое обоснование компонентного состава удобрительно- мелиорирующих смесей, обеспечивающего информационное обеспечение процесса гумусообразования в почве
4.4 Теоретическое обоснование состава удобрительно-мелиорирующей смеси в качестве источника энергии для повышения почвенного плодородия
4.5 Теоретическое обоснование применения микробиологической составляющей удобрительно-мелиорирующей смеси - 205
Выводы к главе 4 209
Глава 5 Способ приготовления и внесения удобрительно-мелиорирующих смесей на основе сапропелей 210
5.1 Характеристика основных компонентов удобрительно-мелиорирующей смеси 210
5.2 Способ приготовления удобрительно-мелиорирующей смеси на ос- 212 нове карбонатного сапропеля и торфа
5.3 Удобрительно-мелиорирующей смеси с органическими компонентами на основе навоза или птичьего помета
5.4 Удобрительно-мелиорирующие смеси с органическими компонентами на основе осадков сточных вод, бытовых и промышленных отходов
5.5 Способ внесения удобрительно-мелиорирующих смесей и расчет дозы внесения для различных типов почв
Глава 6 Опытно-производственная проверка эффективности применения удобрительно-мелиорирующих смесей для повышения продуктивности земель и плодородия почв
6.1 Исследование влияния удобрительно-мелиорирующих смесей на повышение плодородия почв и урожайность сельскохозяйственных культур в натурных условиях
6.2 Эколого-экономическое обоснование применения удобрительно- мелиорирующих смесей
Выводы к главе 6 261
Выводы 262
Список литературы
- Распространение и характеристика природных малопродуктивных земель и деградированных почв
- Гуминовые вещества сапропелей, их влияние на почву и растения
- Энергетика почвообразования. Методы оценки энергетических запасов почвенного гумуса и органического вещества
- Теоретическое обоснование вещественного состава удобрительно- мелиорирующих смесей на основе карбонатных сапропелей
Введение к работе
Актуальность. Почва является одним из национальных богатств государства и относится к важнейшим стратегическим природным ресурсам. Исторический опыт развития цивилизации показывает, что от состояния почвенного плодородия напрямую зависит расцвет и упадок любого государства. Снижение плодородия почв является проблемой не только государственной, но и общечеловеческой. По оценкам Международной организации ФАО около 70% площади суши земного шара представлены малопродуктивными угодьями, производительность которых ограничена почвенно-климатическими, рельефными или хозяйственными условиями. Увеличиваются потери продуктивных почв мира. За последние 50 лет общая площадь продуктивных почв уменьшилась на 300 млн. га, а количество утраченного в результате процессов дегуми-фикации органического углерода составило 38 млрд. т. (Г.В. Добровольский, 2000). Решение продовольственной проблемы невозможно без вовлечения в сельскохозяйственное производство природных малопродуктивных и деградированных почв.
Для эффективного использования деградированных почв требуется система мелиоративных мероприятий по расширенному воспроизводству почвенного плодородия, основанная на восстановлении их свойств, в том числе за счет восполнения утраченной энергии. Антропогенное вмешательство изменяет направленность потоков энергии, нарушая сложившееся равновесие в природных биологических системах (В.И. Титова, 2006). Основными источниками энергии и питательных веществ, вносимых в почву, являются органические удобрения, торф, сидераты, осадки сточных вод, пресноводные сапропели. Все они содержат аккумулированную солнечную энергию, которая в почве может трансформироваться в энергию почвенного гумуса, а это позволит повысить продуктивность земель. В нашей стране наименее востребованными источниками органического вещества являются пресноводные сапропели. Запасы энергии, аккумулированной в органическом веществе сапропелей России (4-8-1016 кДж), со поставимы с суммарной энергией гумуса пахотных почв нашей страны (6-10 кДж). В настоящее время в озерах гумидной зоны идет активное сапропелеоб-разование и, следовательно, накопление энергии, утерянной почвами водосборных территорий в результате деградационных процессов (A. Ciunys, 1997). Структура и состав сапропелей позволяют использовать их в качестве удобрений и мелиорантов, оказывающих длительное положительное влияние на основные агрохимические и агрофизические свойства почвы. Воспроизводство почвенного плодородия представляет собой систему целенаправленных мелиоративных и агротехнических воздействий и является актуальной проблемой современности.
Цели и задачи исследований. Целью настоящих исследований является разработка мелиоративных мероприятий по повышению плодородия малопродуктивных и деградированных почв за счет восстановления их вещественно-энергетического состояния сапропелями и смесями на их основе.
Для реализации цели были поставлены и решены следующие задачи:
- выполнить анализ состояния почв России и рассмотреть подходы к оценке их продуктивности;
- изучить состав и свойства сапропелей как потенциального вещественно-энергетического источника для восстановления малопродуктивных и деградированных почв;
- разработать методику расчета энергетического потенциала органического вещества почв, органических удобрений и мелиорантов;
- оценить энергетическое состояние почв различной степени деградации и энергетическую эффективность органических и органоминеральных удобрений;
- обосновать компонентный состав удобрительно-мелиорирующих смесей на основе сапропелей для восстановления и расширенного воспроизводства плодородия почв;
- разработать способ приготовления и внесения удобрительно-мелиорирующих смесей в почву;
- оценить влияние удобрительно-мелиорирующих смесей на повышение почвенного плодородия и урожайность с/х культур в натурных условиях.
Методология и методика исследования. Исследования базировались на анализе литературных и фондовых материалов с использованием системного подхода и включали теоретические разработки, лабораторные и натурные эксперименты. В качестве теоретических предпосылок были использованы классические учения о почве, почвообразовательных процессах, почвенном плодородии В.В. Докучаева, В.И. Вернадского, Н.М. Сибирцева, П.А. Костычева, В.Р.Вильямса, В.А.Ковды, Б.Г. Розанова; о почвенном гумусе и концепции гу-мусообразования М.М. Кононовой, Л.И. Александровой, Д.С. Орлова и др. Работа базировалась на исследованиях состава и свойств сапропелей Н.В. Кордэ, М.З. Лопотко, В.Н. Сукачева; работах по термодинамике открытых систем И.Р. Пригожина и Г. Николиса; энергетике почвообразовательных процессов В.Р. Волобуева; энергетической характеристике почвенного гумуса И.В. Тюрина, С.А. Алиева; на законах превращения энергии в биологических системах В.А. Энгельгардта, В.П. Скулачева и др.
Исследования проводились на дерново-подзолистых почвах, оподзолен-ных черноземах, почвах выработанных торфяников, сапропелях 16 озер РФ, гуминовых веществах сапропелей, удобрительно-мелиорирующих смесях на основе сапропелей и торфа по классическим агрохимическим методикам. Кислотно-щелочная буферность почв определялась методами С. Аррениуса и П.П. Надточия. Для определения химических свойств сапропелей и смесей использовались классические и инструментальные химические методы исследований (ИК-спектроскопии, пиролитической масс-спектрометрии, нейтронной активации). Из биологических методов исследований применялись метод проростков и метод водных культур. В силу специфики озерных илов некоторые методы почвенного анализа были адаптированы для сапропелей.
Натурные исследования по испытанию новой удобрительно-мелиори-рующей смеси осуществлялись на базе Мещерского филиала ГНУ ВНИИГиМ в Рязанской области; опыты по определению длительности мелиорирующего действия сапропеля проводились на землях совхоза «Мичуринский» и «Восход» Ростовского района Ярославской области и Идрицкого совхоза-техникума Пустошкинского района Псковской области. Обработка результатов экспериментов осуществлялась с помощью методов математической статистики.
Научная гипотеза. Применение системы целенаправленных мелиоративных и агротехнических воздействий, обеспечивающих повышение вещественно-энергетического состояния почвы и активизацию процессов гумификации, позволит обеспечить расширенное воспроизводство почвенного плодородия.
Научная новизна работы. На основе теоретических обобщений и анализа результатов исследований впервые предложен теоретический подход к оценке энергетического состояния почв и разработана методика расчета энергии органического вещества почвы и органических удобрений на основе элементного состава и термодинамики сопряженных реакций при биологическом окислении органического субстрата (биоэнергетический потенциал органического вещества).
Предложена концептуальная модель воспроизводства почвенного плодородия, основанная на повышении вещественно-энергетического потенциала почвы и активизации процессов гумификации с использованием новых удобри-тельно-мелиорирующих смесей на основе карбонатного сапропеля.
Выявлены отличительные особенности гумификации органического вещества пресноводных сапропелей, обеспечивающие при внесении их в почву длительность мелиорирующего действия и формирование почвенного гумуса. Показано положительное влияние кислотно-щелочных буферных свойств сапропелей на гомеостаз и экологическую устойчивость почв.
Рассчитан биоэнергетический потенциал гуминовых веществ различных типов почв и выявлены закономерности его влияния на состав почвенного гумуса.
Изучены состав и свойства пресноводных сапропелеи как резервного источника почвенного гумуса и энергии для восстановления плодородия деградированных почв.
Предложен компонентный состав и методика получения удобрительно-мелиорирующих смесей на основе пресноводных сапропелеи для расширенного воспроизводства почвенного плодородия.
Дана оценка влияния удобрительно-мелиорирующих смесей на увеличение энергии почвенного гумуса и повышение почвенного плодородия в натур-ных условиях.
На защиту выносится:
- новый термодинамический подход к решению проблемы расширенного воспроизводства почвенного плодородия комплексом мелиоративных и агротехнических воздействий путем повышения вещественно-энергетического состояния почвы и активизации процессов гумификации на основе определения энергии химических связей органического вещества;
- методика расчета биоэнергетического потенциала органического вещества на основе стехиометрии сопряженных реакций в процессах биологического окисления и синтеза аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ);
- закономерности зонального изменения биоэнергетического потенциала гуминовых веществ и соотношения энергии гуминовых (ГК) и фульвокислот (ФК) в почвенном гумусе.
- структурно-генетические особенности органического вещества и орга- номинеральных комплексов сапропелеи, обеспечивающие при внесении их в почву длительность мелиорирующего действия и процесс гумусообразования;
- компонентный состав и методика приготовления эффективных удобрительно- мелиорирующих смесей на основе сапропелеи, для повышения почвенного плодородия.
Практическая значимость. Энергетическая оценка почвенного гумуса позволяет более объективно оценить продуктивность биоценоза и по элемент ному составу органических молекул определять энергетическую ценность почвенного гумуса и органических удобрений.
Применение разработанных удобрительно-мелиорирующих смесей является агромелиоративным мероприятием и способствует восстановлению плодородия деградированных почв, повышению их продуктивности и улучшению экологической ситуации на землях сельскохозяйственного назначения. Разработанный технологический регламент создания удобрительно-мелиорирующих смесей даст возможность получать на базе местного сырья и агроруд новые экологически безопасные органоминеральные удобрения. Результаты исследований были положены в основу составления методических рекомендаций: «Использование сапропелевых отложений для восстановления деградированных почв и коренного улучшения малопродуктивных песчаных почв», ВНИИГиМ, 2000; «Методические рекомендации по созданию эффективных органомине-ральных смесей, обеспечивающих комплексное воздействие на почву», ВНИИГиМ, 2001, «Очистка и детоксикация почв от тяжелых металлов», ВНИИГиМ, 2002, «Методические рекомендации по мероприятиям для предотвращения и ликвидации загрязнения агроландшафтов тяжелыми металлами», 2005г. Внедрение результатов работы осуществлялось в ОПХ Мещерского филиала ВНИИГиМ на участке «Тинки -2» и в хозяйстве «Малинищи» Пронского района Рязанской области; при малообъемном способе выращивания тепличных овощей на базе ГУСП «Дубки» Ярославской области; в совхозе «Мичуринский» Ростовского района Ярославской области.
Личный вклад автора состоит в обобщении и анализе литературных и фондовых материалов, проведении исследовании состава и свойств сапропелей. Автором проведены теоретические исследования по разработке способов повышения продуктивности почв; по выявлению особенностей гумификации органического вещества сапропелей; по разработке методики расчета энергии органического вещества почв и удобрений. Разработан термодинамический подход к энергетической оценке состояния почв и повышению почвенного плодородия. Выполнены лабораторные исследования агрохимических свойств почвы и химических свойств сапропелей; фракционирование гуминовых веществ са-пропелей; определение биологической активности сапропелей модифицированным методом проростков и методом водных культур. При личном участии автора проводились натурные эксперименты в Рязанской и Ярославской областях по определению эффективности удобрительно-мелиорирующей смеси и длительности мелиорирующего действия сапропелей.
Апробация результатов диссертационной работы. Основные результаты исследований были доложены на III съезде Докучаевского общества почвоведов (Суздаль, 2000) , на 2-ой Международной конференции «Дождевые черви и плодородие» (Владимир, 2004), Международной научной конференции ВНИИГиМ «Экологические проблемы мелиорации» (Москва, 2002), Юбилейной конференции ВНИИГиМ «Мелиорация и окружающая среда» (Москва, 2004), III Всероссийской конференции «Гуминовые вещества в биосфере» (С.Петербург, 2005), секциях ученого совета ВНИИГиМ 2000,2001, 2002, 2007 гг., Международной конференции «Удобрения натуральные органические и минеральные» г. Свиноуйсьце (Польша) 2006г, семинаре по теоретическим проблемам почвоведения МГУ, Москва, 2007г.
Публикации. Основные результаты исследований опубликованы в 51 научной работе, в том числе в 2-х монографиях, 8-й статьях в журналах, рекомендуемых ВАК, получено 4 патента на изобретения.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав и выводов, изложена на 302 страницах машинописного текста, иллюстрирована 39 рисунками, содержит 94 таблицы и 14 приложений. Список литературы включает 362 наименований, в том числе 32 на иностранном языке.
Распространение и характеристика природных малопродуктивных земель и деградированных почв
Начиная с функционального этапа, в определение почва отражаются ее основное свойство - плодородие. До настоящего времени «... нет достаточной определенности в отношении почвенного плодородия» (В.И. Кирюшин, 2005). До XVI - XVII вв. вопрос о причинах плодородия оставался неясным и лишь с появлением химии, агрохимии и физиологии растений плодородие почв получило научное объяснение (Г.В. Добровольский, 2005). В определении П.А. Костычева (1951) плодородие характеризует «пригодность почвы для питания растений», в определении В.И. Вильямса (1936) «способность почвы производить урожай», что в большей степени характеризует продуктивность почв. Сравнительный анализ терминов «продуктивность» и «плодородие» показывает следующее. Продуктивность - способность давать продукцию, это свойство биологических систем. В биологических дисциплинах продукция (лат. productio -произвожу) «суммарное количество биомассы, образованная совокупностью организмов за определенный период времени. В прикладных биологических дисциплинах это количество продукта (урожай), полученного за определенное время, что составляет только часть общей биологической продукцией» (БЭС, 1986). В данной работе термин продуктивность используется в том же значении, что и "урожайность" - способность производить продукцию в виде урожая. Продуктивностью могут обладать и почвы и земли, после того, как становятся средствами материального производства. Следовательно, продуктивностью обладают не только почвы, но и водные растворы, грунты, сапропе-ли, торф, земли, не обладающие плодородием, но способные производить продукцию при обеспечении необходимых условий. В любом случае это производственная характеристика, потому что при отсутствии продукции отсутствует и продуктивность, тогда как плодородие, даже не реализующееся в урожае, остается неотъемлемым свойством почвы.
«Плодородие это специфическое свойство почвы как природного тела, оно является основным отличием между понятиями «почва» и «земля» и является существенным признаком, отличающим почву от горной породы, и, следовательно, естественным свойством почвы». (А.А.Роде, 1955). По мере накопления сведений о почве менялось представление о плодородии. В древние времена его объясняли наличием «жира» и «солей», затем наличием в почве воды (Гораций), гумуса (А. Тэер, 1830), элементов минерального питания (Ю. Ли-бих, 1840). В России учение о плодородии почв тесно связано с именем В.Р. Вильямса (1936). Согласно Вильямсу под плодородием почвы понимается ее «способность ...обеспечивать растения в максимальных потребных количествах питательными веществами и влагой». Он детально исследовал формирование и развитие плодородия почвы в ходе природного почвообразования, рассмотрел условия проявления плодородия в зависимости от ряда свойств почвы. Тепло и свет рассматриваются им как космические факторы. В конечном итоге он приходит к тому же выводу, что и Гораций: плодородием обладает Мировой Океан (В.И.Вильямс, 1949). На данном примере можно дифференцировать понятие «плодородие» и «продуктивность». Мировой Океан обладает продуктивностью, но не плодородием. В нем отсутствует явление саморегуляции состояния через перераспределение потока энергии, что является основным показателем почвенного плодородия и зависит от совокупности всех основных свойств почвы. Солнечная энергия, аккумулированная в зеленых растениях, сохраняется в почвенном гумусе, как своеобразном «энергетическом буфере», в дальнейшем, в результате постепенной минерализации гумуса часть этой энергии используется на формирование нового урожая. «Почвенное плодородие, и, как реализация его, продуктивность, формируется в результате почвообразовательных процессов и определяется не отдельными свойствами, например содержание элементов питания, и т.д., а всей совокупностью свойств почвы, характером и особенностями всего почвенного профиля» (В.А.Ковда, 1978). Однако без света, тепла, кислорода и углекислого газа плодородия не может существовать. Почва использует энергию солнца, вещества и элементы питания из окружающей среды, трансформирует их и обеспечивает растения всем необходимым (М.А. Глазовская, 1981, B.C. Болдышев, 1989, Г.В.Добровольский, 1990, В.А. Белолипский, 1995, М.С.Соколов, 1998). М.А. Глазовская выделяет основные группы свойств почвы, обеспечивающих ее высокое плодородие. Благоприятный гидротермический режим, обеспечивающий вегетацию растений. Комплекс физических свойств почв: водопрочная зернистая или мелкокомковатая структура, высокая порозность, хорошие впитывающая и водоудерживающая способность, физико-механические свойства, обеспечивающие легкость обработки почв. Комплекс химических и физико-химических свойств почв: высокое содержание гумуса с преобладанием в его составе гуматов кальция, высокое содержание доступных форм элементов питания растений, близкая к нейтральной среда почвенного раствора, высокий окислительно-восстановительный потенциал, насыщенность поглощающего комплекса преимущественно кальцием, низкое содержание поглощенного водорода и натрия, отсутствие легкорастворимых солей. Комплекс биологических свойств: высокий уровень микробиологической активности, преобладание бактериальной микрофлоры, наличие азотфиксаторов, ферментативная активность, наличие мезофауны. (М.А. Глазовская, 1981, ГЛ. Гамзиков, 1989).
Гуминовые вещества сапропелей, их влияние на почву и растения
Разнообразие почв, большинство из которых не отличается высоким естественным плодородием, крайне низкий биоклиматический потенциал значительной части территории России предполагают необходимость разработки систем земледелия, ключевым звеном которых является сбалансированное применение органических и минеральных удобрений (В.И. Никитишен, 2005). Если природные малопродуктивные почвы генетически запрограммированные на низкий уровень плодородия, при повышении продуктивности переходят в неустойчивое состояние и требуют постоянных энергетических и вещественных затрат на поддержание достигнутого уровня, то для деградированных почв пути повышения плодородия связаны с ликвидацией причин и последствий деградации и восстановлением их исходного вещественно-энергетического состояния. В работах И.И. Карманова, В.И. Кирюшина, Н.Б. Хитрова, Д.С. Орлова, Ф.Р. Зайдельмана, И.В. Кузнецова, Н.В. Иванова, Л.В. Кирейчевой, Нгуен С. X. и др. предложена систематизация процессов деградации, позволяющая обосновать мероприятия, направленные на повышение продуктивности деградированных почв. Существуют разнообразные мелиоративные мероприятия для предотвращения деградационных процессов в почве. В диссертации рассматриваются мероприятия по предотвращению деградации почв и повышению их продуктивности через восстановление и повышение гумусового запаса. Поч венный гумус формирует почвенную структуру, является источником элементов питания растений, обеспечивает жизнедеятельность почвенных микроорганизмов, способствует детоксикации почвы и влияет на формирование ее буферных свойств (В.Г. Минеев, 1988.С. Орлов, 1996, Р. Тейт, 1991, J.M. Tisdall, 1982, J.M. Oades, 1991, А.Р. Collins. 2000). Традиционно мелиоративные приемы, направленные на повышение содержания гумуса в почвах, основаны на внесении значительных доз органических удобрений (Д.Н. Приянишников, 1952, Т.Н. Кулаковская, 1984, Н.Г. Л.Л Шишов 1991, В.И.Кирюшин,1993, A.M. Лыков, 2004, В.Г. Сычев, 2002, Ковалев, 2002, Г.Е. Мерзлая, 2005 и др.). В современных условиях реальная обеспеченность пашни органическими удобрениями составляет не более 10%, поэтому актуальной задачей является расширенный возврат органического вещества в почву в форме более эффективных органических веществ на основе нетрадиционных и малоиспользуемых природных ресурсов (Г.Е. Мерзлая и др., 2006).
Как правило, дозы удобрений рассчитываются исходя из потребностей растений в элементах питания, поэтому при использовании негумифицирован-ных органических материалов требуется постоянное внесение органических удобрений, что в конечном итоге может привести к загрязнению почв и грунтовых вод, эвтрофированию водоемов, снижению качества сельскохозяйственной продукции (A. Ciunys, 1997, Н.А. Van Veen, 1981, В.И. Титова, 2005). Использование гумифицированного органического вещества торфа более экологично, но менее эффективно, так как требуется больше времени на его минерализацию, а при высоких дозах внесения, приводит к повышению кислотности почвы (В.Н. Ефимов, 2003).
Резервными источниками почвенного гумуса могут стать сапропели, так как они содержат гумифицированное органическое вещество и кислотно-щелочную буферную систему, препятствующую подкислению почвы. В сапро-пелях содержится от 30 до 70% и более минеральных компонентов преимущественно илистой фракции, обеспечивающих формирование органоминеральных комплексов и способствующих закреплению гумусовых веществ в почве. Со став и структура сапропелеи характеризует их не только как источники элементов питания растений, но и как структурообразователи и мелиоранты, улучшающие гранулометрический состав почвы, повышающие емкость катионного обмена (ЕКО), улучшающие состав почвенного поглощающего комплекса (ППК) (таблица 1.3.1) (Н.А. Бракш, 1971, М.З. Лопотко, 1983, 1986, В.Б. Курзо, 1989, ИЛ. Рудакова, 1998а, Л.В. Кирейчева, 1998, С. Dick, 2002).
Органический2 4,6-7,426,5 4,2-30,02J. 0,1-5,8М 2,4-4,50,18 0,1-2,576,4 70-9325,719,57650,2 17,5-106,090,3 44,9-188,575,9 46,4-114,0 Карбонатный12 7,0-8,2 56,1 40,0-85,036,6 30,0-51,8L4 0,5-2,20.35 0,31-0,5627,8 25-6011,15,4480,66 (оз. Неро)99,3 (оз.Неро)100 (оз.Неро) Смешанный12 5,5-7,8 45,8 25,0-65,018,2 8,1-30,022 1,2-3,30,43 0,1-3,946,1 44-6821,713,26130.8 6,3-69,0195,3 24,9-490,670,7 42,9-120,0 Кремнеземистый62 4,4-7,8 46,5 30,0-65,0 3,6 0,8-4,8 18 0,5-2,8 0,19 0,07-0,67 45,4 25-6022,5 11,95339,2 6,1-103,2115,5 27,5-415,363.4 5,7-78,9 рН (КС1) Остаток после прокаливания (ОПП) СаО, % N общ.,% Фосфор (Р205),% Органическое вещество, % Гуминовые в-ва (Собщ.), % Гуминовые кислоты, (Сгк). % Степень гумификации, (Сгк/Собщ,),% Гидолитическая кислотность, мг-экв/100г Сумма поглощенных оснований, мг-экв/100г Емкость катионного обмена, мг-экв/100г Примечание: ) по данным Госагропрома РСФСР, 1989; ) по данным М.З. Лопотко, 1983 По определению Н.В. Кордэ (1956) «сапропели это тонкоструктурные коллоидные отложения континентальных водоемов, содержащие значительное количество органического вещества, некоторое количество неорганических компонентов биогенного происхождения и минеральные примеси привносного характера».
Из истории земледелия известно, что озерные илы с незапамятных времен использовались в сельском хозяйстве для удобрения преимущественно песчаных и супесчаных почв (Е.М. Титов, 1885, Ю.Г. Саушкин, 1926, А.В. Смирнов, 1962, А.В. Горблюк 1986, Е.И. Синькевич, 1992, Б.М. Кизяев, 2000). Еще Плиний в «Естественной Истории» писал, что «белый туф», найденный среди водных источников, обладает «бесконечным плодородием». «Лучшие огородные земли в России были созданы на бедных супесчаных подзолистых почвах Ярославской области путем многовековой культуры и систематического внесения озерного сапропеля» (М.З. Лопотко, 1978).
Первые научные исследования сапропелей, как природных ресурсов органического сырья в нашей стране, относятся к концу XIX - началу XX века (Н.Д. Залесский, 1914, Н.В. Кордэ, 1956, 1958, 1960).
Энергетика почвообразования. Методы оценки энергетических запасов почвенного гумуса и органического вещества
Органическое вещество и его превращения в почве играют важную роль в ее генезисе и формировании основных свойств, одним из которых является плодородие. Рубеж XX - XXI веков определяется практически повсеместным усилением антропогенной деградации почвенного покрова. Усиливается процесс дегумификации пахотного слоя почв. Устойчивая высокая продуктивность почв формируется при реализации потенциального почвенного плодородия, которое достигается за счет сохранения достаточного запаса в почве элементов питания, активизации процессов гумификации и восстановлении запаса гумуса (В.А. Ковда, 1973). В последние десятилетия проблема улучшения гумусового состояния почв приобрела государственное значение. Существует несколько точек зрения на решение этой проблемы. Так ряд ученых считает, что воспроизведение гумуса в почвах следует обеспечивать за счет создаваемого в агроце-нозах органического вещества (В.И. Кирюшин, 1993, 2005, И.Ф. Ганжарара, 1993, И.С. Кауричев, 1975, Д.С. Орлов, 1996, Б.П. Бончан, 2004). Однако отрицательный баланс гумуса в большей части территории РФ свидетельствует о недостаточном воспроизводстве органического вещества в агроценозах. Поэтому требуется внесение в почву органических удобрений для формирования бездефицитного баланса гумуса. По данным Минсельхозпрома РФ, для воспроизводства гумуса в пахотных почвах в настоящее время потребность в органических удобрениях составляет более 840 млн. т. Даже при полной мобилизации всех ресурсов навоза и помета потребность пашни в органических удобрениях для воспроизводства гумуса почв может быть удовлетворена лишь на 17% (рис.2.2.1.). Основными видами органических удобрений являются как традиционные: стойловый навоз на опилочной, соломистой или торфяной основе, гуано, бесподстилочный навоз, сидераты; так и нетрадиционные: сапропели, биокомпосты, вермикомпосты, гуматы, осадки сточных вод, бытовые отходы и отходы промышленности. «Основная тенденция в применении органических удобрений, наметившаяся в последнее десятилетие, заключается в повышении их качества, при одновременном снижении норм внесения» (Р.А. Афанасьев, Г.Е. Мерзлая, 2000). В последние годы, с активизацией процессов дегумифика-ции почвы, становится экологически целесообразным использование пресноводных сапропелей как резервных источников органического вещества для деградированных почв. Большая часть гумидной зоны России образована водосборными территориями пресноводных озер. И, если отрицательный баланс гумуса формируется процессами эрозии и дефляции плодородного слоя, то большая часть отчужденного гумуса почв водосборных территорий поступает в озера, что ведет к заилению и зарастанию водоема и активизации в нем сапро-пелеобразовательных процессов.
Потребность регионов России в органических удобрениях и объемы их внесения (10 т.) (поданным Минсельхозпрода РФ) Все основные факторы, влияющие на увеличение подвижной фракции почвенного гумуса на водосборной территории и ведущие к его снижению в пахотном слое почвы, в конечном итоге приводят к увеличению количества сапропеля в водоемах данной территории. Возвращая в пахотные почвы гумус озерных сапропелей, мы не только сможем ликвидировать гумусовый дефицит, но и предотвратить заиление пресноводных водоемов и восстановить исходное природное равновесие, нарушенное антропогенным вмешательством (A.Ciunys,1997, О.Б. Хохлова, 1999). Запасы сапропелей на территории России позволяют решать эту проблему. По данным «Торфгеологии» на 01.01 90. общий запас ОВ сапропелей России (Сорг). 2,7-5,5 109 т, что сопоставимо с запасами гумуса в пахотных почвах страны (7,2 109т). Таким образом, имеется реальный резерв для восстановления содержания гумуса в деградированных почвах РФ, поэтому целесообразно рассмотреть особенности состава и свойств ОВ сапропелей.
Органическое вещество сапропелей в меньшей степени, чем ОВ почв представлено эдафоном (в основном это споры бактерий и грибов), характеризуется отсутствием свежего и растворимых форм свободного органического вещества (Я. К. Краулерс, 1970, В.Б. Курзо, 1989). Понятие «гумус» Д.С. Орлов относит только к почвам (1996), но ряд зарубежных исследователей относят это понятие и к сапропелям. Ф. Дюшофур (1970) в биохимической классификации гумуса выделяет гумус, формирующийся под влиянием гидроморфизма, куда входят торф и анмоор. Делакул (1980) в морфохимической классификации гумуса выделяет классы подводного и надводного гумуса, в класс подводного гумуса входит сапропель (Ж. Лозье, К. Матье, 1998).
Сапропелевые отложения разных географических зон и различных типов трофики водоемов отличаются по составу и содержанию органического вещества (Л.Л. Россолимо, 1976). Области активного сапропеленакопления России, выделенные еще в 1932 г. Алабышевым, находятся в гумидной зоне РФ (Алабышев, 1932), Помимо географической широтной зональности ОВ сапропелей имеет историческую вертикальную зональность. Его состав на разных горизон тах залежи различен и отражает историческое развитие водоема и всего ландшафта (Н.В. Кордэ, 1960).
Источником ОВ сапропелей автохтонного генезиса является гидробиота водоема. Источником ОВ аллохтонного генезиса являются растения, животные и бактерии биоценозов водосборной территории в основном в виде организ-менных остатков, спор, пыльцы. Часть этого материала в дальнейшем трансформируется в ОВ гуминовых веществ сапропеля, часть сохраняет свою биологическую природу. Органическая компонента аллохтонного происхождения поступает в водоем в виде смытого гумуса почв водосборной территории, но в субаквальных условиях она трансформируется в ОВ сапропеля (Н.В. Кордэ, 1956).
Теоретическое обоснование вещественного состава удобрительно- мелиорирующих смесей на основе карбонатных сапропелей
Роль гуминовых веществ в биосфере обширна и многогранна. Еще Тэер утверждал, что «Гумус есть продукт живого и его источник» (С.А. Ваксман, 1937). Большинство свойств почвы зависят от содержания и состава гуминовых веществ в ней. Это влияние исследовалось в работах В.В. Докучаева, Н.М. Сибирцева, П.А. Костычева, И.В. Тюрина, М.М. Кононовой, В.В. Пономаревой, Л.Н. Александровой, Д.С. Орлова. Наиболее заметно влияние ГВ на физические свойства почвы. Они формируют почвенную структуру, участвуют в агрегации почвы (Д.В. Хан 1969 R. Bradfield, 1923, J. М. Oaedes, 1991). Хорошо известна зависимость окраски почвы от содержания ГВ (В.В. Докучаев, 1949, Д.С. Орлов, 1967, 1968, 1969). С содержанием и составом ГВ связан тепловой баланс почвы, объемные веса, сложение, удельный вес твердой фазы и другие физические свойства. Найдены многочисленные корреля ции между содержанием ГВ и различными физико-химическими свойствами почв. В гумусовых горизонтах емкость поглощения определяется количеством ГВ (Д.С. Орлов, 1974). ГВ влияют на состав и подвижность поглощенных катионов (Д.С. Орлов, 1966, N. Senessi, 1992). Гуминовые вещества существенно влияют на окислительно-восстановительный потенциал почв. Они являются регуляторами условий минерального питания растений. ГК изменяют условия фиксации азота в почве, необменно связывают азот аммиака и мочевины, снижают подвижность тяжелых металлов (ТМ), снижают токсичность высоких доз минеральных удобрений (Д.С. Орлов, 1996, A.M. Лыков, 2004, N. Senesi, 1992). Совокупное воздействие ГВ обычно приводит к повышению почвенного плодородия, что на ряде примеров показал еще В.В. Докучаев (1951).
Известно, что ГК сапропеля, так же как и ГК почвы оказывают стимулирующее действие на растения и микрофлору почв (Ф.А. Пунтус, Н.Н. Бамбалов, 1976). В практике сельского хозяйства широко распространено применение растворов солей гуминовых кислот (гуматы) для стимуляции роста и развития растений (Р.А. Афанасьев, 2000). Исследования по влиянию ГК сапропеля на растения изучалось в опытах с водными культурами. Опыт закладывался по традиционной методике (А.И. Ермаков, 1952) на проростках ржи сорта «Восход». Цель опыта была определить сравнительное влияние различных компонентов сапропеля на урожайность и качество продукции. Варианты опыта следующие: сапропель оз. Неро, безбитумный сапропель, ГК сапропеля, сухой остаток вымороженной из сапропеля воды, зола сапропеля. Все компоненты помещались в водную среду в количестве, эквивалентном дозе внесения сапропеля в почву -120 т/га, т.к. по результатам полевых опытов эта доза определена как наиболее эффективная (Б.Н. Хохлов, 1988). Кислотность всех растворов была выровнена до рН=8,4, что соответствовало кислотности используемого сапропеля. Оценку влияния различных фракций сапропеля дали по измерению длины и массы растений (количественные показатели урожайности или продуктивности) и содержа нию в растениях каротина и азота (белка). Для сопоставимости различных показателей определялся по коэффициент активности Ка (О.Н. Успенская, 1998), который рассчитывался как отношение показателя в варианте опыта к аналогичному показателю на контроле (таблица 2.3.1.).
По результатам проведенного исследования обнаружено, что ГК сапропеля оз. Неро стимулируют продуктивность растений, увеличивая рост и массу проростков в 1,5-1,2 раза. На длину и массу корней ГК данного сапропеля практически не влияют. Наиболее эффективно ГК влияют на синтез витаминов в проростках (содержание каротина в них возрастает почти в 2 раза). ГК активно влияют на биосинтез белка в корешках и проростках, увеличивая содержание азота в них соответственно на 33 и 60% (таблица 2.3.2). Таким образом, ГК са-пропелей являются биостимуляторами, они оказывают положительное влияние на количество и качество растительной продукции. Это обосновывает необходимость подробного исследования ГК сапропелей и выяснение принципиальных различий этих структур в сравнении с ГК почвы.
