Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Экологическая оценка влияния интенсивной сельскохозяйственной деятельности на состояние агроэкосистем в условиях лесостепной зоны Центрально-Чернозёмного района

ВАК РФ 03.02.08, Экология (по отраслям)

Автореферат диссертации по теме "Экологическая оценка влияния интенсивной сельскохозяйственной деятельности на состояние агроэкосистем в условиях лесостепной зоны Центрально-Чернозёмного района"

ЧЕТВЕРИКОВА Наталья Сергеевна

ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ИНТЕНСИВНОЙ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ НА СОСТОЯНИЕ АГРОЭКОСИСТЕМ В УСЛОВИЯХ ЛЕСОСТЕПНОЙ ЗОНЫ ЦЕНТРАЛЬНО-ЧЕРНОЗЁМНОГО

РАЙОНА

03.02.08 - экология (биология)

005058426

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

16 МАЙ 2013

Москва-2013

005058426

Работа выполнена в Федеральном государственном автономном образовательном учреждении ВПО «Белгородский национальный исследовательский университет» (НИУ «БелГУ»)

Научный руководитель: Лукин Сергей Викторович,

доктор сельскохозяйственных наук, профессор

Официальные оппоненты: Соколов Олег Алексеевич, доктор биологических наук, профессор, главный научный сотрудник лаборатории агрохимии минерального и биологического азота ГНУ ВНИИА им. Д.Н. Прянишникова Россельхозакадемии

Смирнова Лидия Григорьевна, доктор биологических наук, заведующая лабораторией адаптивного растениеводства и агроэкологии ГНУ Белгородский НИИСХ Россельхозакадемии

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Белгородская государственная

сельскохозяйственная академия им. В.Я. Горина»

Защита состоится 29 мая 2013 г. в 16 часов 00 минут на заседании Диссертационного совета Д 220.043.03 при Российском государственном аграрном университете - МСХА имени К.А. Тимирязева по адресу: 127550, Москва, ул. Прянишникова, 15.

С диссертацией можно ознакомиться в Центральной научной библиотеке РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева.

Отзывы на автореферат направлять по адресу: 127550, Москва, ул. Тимирязевская, 49; Ученый совет РГАУ-МСХА имени К.А.Тимирязева (тел./факс. (499)976-24-92).

Автореферат разослан апреля 2013 года

Ученый секретарь диссертационного совета

О.В. Селицкая

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. В настоящее время особую актуальность приобретает решение вопросов, связанных с устойчивым функционированием аг-роэкосистем в условиях техногенеза, когда взаимодействие общества с окружающей природной средой вызвало множество отрицательных последствий, главное из которых - деградация почв.

В отличие от естественных биогеоценозов с относительно замкнутым циклом биогенных элементов в агроценозах происходит разрыв этого цикла из-за отчуждения питательных веществ с урожаем, смывом в результате эрозии и т. д. Нарушение баланса питательных веществ в земледелии ведет не только к уменьшению производства продукции и ухудшению её качества, но и к снижению почвенного плодородия и экологической устойчивости агроланд-шафтов.

В условиях Белгородской области актуальность таких исследований еще более возрастает, так как при интенсивном развитии животноводства и растениеводства не должны нарушаться фундаментальные биогеохимические циклы круговорота веществ, лежащие в основе жизнедеятельности биосферы.

Поэтому назрела необходимость комплексного подхода при изучении миграции как жизненно важных, так и токсичных химических элементов в агро-экосистемах в условиях интенсивной сельскохозяйственной деятельности на конкретной территории хозяйствования. Цель и задачи исследования

Цель исследований заключалась в анализе влияния интенсивной сельскохозяйственной деятельности на состояние основных компонентов агроэкоси-стем в условиях лесостепной зоны Центрально-Чернозёмного района.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

1. проанализированы закономерности изменения продуктивности агро-ценозов в зависимости от уровня использования органических и минеральных удобрений;

2. рассчитан баланс азота, фосфора и калия в земледелии;

3. проведена агроэкологическая оценка динамики кислотности, содержания органического вещества, легкогидролизуемого азота, подвижных форм фосфора и калия в пахотных почвах;

4. проведена агроэкологическая оценка содержания кадмия, свинца, ртути и мышьяка в органических и минеральных удобрениях, продукции озимой пшеницы и ячменя;

5. изучены закономерности биогеохимической миграции кадмия, свинца, ртути и мышьяка в профиле пахотных почв.

Объект исследования - агроэкосистемы Ивнянского района Белгородской области, входящие в лесостепную зону ЦЧР.

Предмет исследования - закономерности изменения состояния агроэко-систем под влиянием антропогенных факторов.

Научная новизна. Установлены закономерности изменения основных показателей агроэкологического состояния пахотных почв за длительный период их сельскохозяйственного использования. Установлены региональные кларки валового содержания в пахотных почвах кадмия, свинца, ртути и мышьяка. Уточнены фоновые уровни содержания тяжёлых металлов и мышьяка в органических и минеральных удобрениях, продукции основных сельскохозяйственных культур. Изучены закономерности распределения тяжёлых металлов и мышьяка по глубине почвенного Профиля чернозёмных почв.

Практическая значимость работы. Исследования проводились в рамках реализации Федеральной целевой программы «Сохранение и восстановление плодородия почв земель сельскохозяйственного назначения и агроландшафтов как национального достояния России на 2006-2010 годы и на период до 2012 года». Результаты исследований автора широко используются при реализации долгосрочных целевых программ:

• «Известкование кислых почв на территории Белгородской области на 2010-2015 годы», утвержденной постановлением правительства Белгородской области №198-пп от 31 мая 2010 г.

• «Внедрение биологической системы земледелия на территории Белгородской области на 2011-2018 годы», утвержденной постановлением правительства Белгородской области № 324-пп от 29 августа 2011 г.

Опубликованные с участием автора, научные работы, широко используются в учебных процессах в высших учебных заведениях Белгородской области.

Защищаемые положения

1. Анализ многолетней динамики агроэкологического состояния пахотных почв лесостепной зоны.

2. Анализ закономерностей биогеохимической миграции тяжёлых металлов и мышьяка в профиле пахотных чернозёмов.

Апробация работы. Основные результаты работы были представлены автором на XIV Международной научно-производственной конференции «Проблемы сельскохозяйственного производства на современном этапе и пути их решения» (Белгород, 2010) и III Международной научной конференции «Проблемы природопользования и экологическая ситуация в Европейской России и сопредельных странах» (Белгород, 2011).

Личный вклад автора заключается в непосредственном участии в выполнении комплексного мониторинга плодородия земель сельскохозяйственного назначения, обработке данных и анализе влияния антропогенных факторов на состояние агроэкосистем.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 10 работ, в том числе 5 в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК России.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, семи глав, выводов, списка литературы, включающего в себя 173 наименования. Работа изложена на 135 страницах, содержит 26 таблиц, 20 рисунков, 3 приложения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

ГЛАВА 1. ВЛИЯНИЕ ИНТЕНСИВНОЙ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ НА ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ СОСТОЯНИЯ АГРОЭКОСИСТЕМ (ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ)

Проанализированы опубликованные результаты научных исследований, отражающие влияние длительной сельскохозяйственной деятельности на основные агроэкологические параметры почв: содержание подвижных форм азота, фосфора и калия, органического вещества, свинца, кадмия, мышьяка и ртути, кислотность почв (Алексеев, 1987; Васенёв, 2008; Кирюшин, 1996; Лукин, 2011; Лыков, 2002; Минеев, 1999; Перельман, 1975; Соколов и др., 2008 и др.). Рассмотрены вопросы влияния свойств почвы на качество растениеводческой продукции (Панников, Минеев, 1977; Черных и др., 1999; Черников и др., 2001 и др.).

ГЛАВА 2. МЕТОДЫ И ХАРАКТЕРИСТИКА ОБЪЕКТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ

В работе использованы материалы сплошного агрохимического обследования пахотных почв Ивнянского района Белгородской области, входящего в лесостепную зону. Почвенный покров района представлен в основном чернозёмом типичным (62,2%) и чернозёмом выщелоченным (36,1%). Площадь пахотных почв в районе составляет 57,1 тыс. га, доля эродированной пашни -23,2%. Средняя многолетняя температура воздуха (по данным метеостанции Готня) составляет 6,1 °С, средняя годовая сумма осадков - 612 мм, в том числе за период апрель-сентябрь — 345 мм (табл. 1).

Таблица 1

Метеорологические условия за период проведения наблюдений

(по данным метеостанции Готня)

Годы Средняя температура воздуха, °С Сумма осадков, мм

год апрель-сентябрь год апрель-сентябрь

В среднем за много лет 6,1 14,8 612 345

1966-1970 6,3 15,3 616 299

1971-1975 6,7 15,4 548 268

1976-1980 5,2 13,9 726 430

1981-1985 6,3 15,1 630 344

1986-1990 6,4 14,7 627 377

1991-1995 6,4 14,9 607 349

1996-2000 6,8 15,5 629 359

2001-2005 7,1 15,5 688 400

2006-2010 7,8 16,4 568 284

При проведении сплошного агрохимического обследования одна объединенная почвенная проба (состоящая из 20-40 точечных проб) отбиралась из пахотного (0-20 см) слоя почвы с площади 20 га.

Эколого-токсикологическое обследование почв и растениеводческой продукции проводилось в рамках локального мониторинга. Для этого в Ивнян-ском районе на пашне было заложено двадцать реперных участков.

Все аналитические исследования проводились в аккредитованной лаборатории ФГБУ «Центр агрохимической службы «Белгородский». В соответствии с принятой в агрохимической службе России методикой в отобранных почвенных пробах органическое вещество определяли по методу Тюрина в модификации ЦИНАО (ГОСТ 26213-93). Подвижный фосфор и калий (по Чири-кову) определяли в соответствии с ГОСТ 26204-91, рН солевой вытяжки - методом ЦИНАО по ГОСТ 26483-85. Легкогидролизуемый (щёлочногидроли-зуемый) азот - по методу Корнфилда. Валовое содержание свинца, кадмия, ртути, а также содержание подвижных форм свинца и кадмия в почвах, извлекаемых ацетатно-аммонийным буферным раствором определяли в соответствии с «Методическими указаниями по определению тяжёлых металлов в почвах сельхозугодий и продукции растениеводства. - МСХ, 10.03.92». Валовое содержание мышьяка в почве определяли в соответствии с «Методическими указаниями по определению мышьяка в почвах фотометрическим методом. М., ЦИНАО, 1993». Содержание азота в растениеводческой продукции определяли по ГОСТ Р 51417 - 99, фосфора - по ГОСТ 26657 - 97, калия - по ГОСТ 30504 - 97, свинца - по ГОСТ 30692 - 2000, ртути - по ГОСТ 26927 - 86, кадмия - по ГОСТ 26933 - 86, мышьяка - по ГОСТ 26930 - 86.

При статистической обработке данных локального мониторинга использовались расчеты доверительного интервала для среднего значения (х ) и коэффициента вариации (У,%) (Доспехов, 1979).

При расчетах хозяйственного баланса в приходных статьях учитывалось поступление макроэлементов с минеральными и органическими удобрениями, семенами. Для азота дополнительно учитывалось его поступление в результате симбиотической и несимбиотической азотфиксации. Размеры несимбиотиче-ской азотфиксации приняты за 8 кг/га посевной площади, за исключением посевов бобовых культур. При расчёте расходных статей хозяйственного баланса учитывалось отчуждение элементов питания с основной продукцией главных сельскохозяйственных культур и потери со смытой почвой, потери азота в результате денитрификации приняты за 15%. Потери элементов питания со смытой почвой рассчитывались, исходя из допущения, что средний смыв с гектара эродированной пашни составляет 5 т, валовое содержание азота в почве - 0,22, фосфора - 0,15, калия - 2,0%.

Для характеристики избирательного поглощения тяжёлых металлов сельскохозяйственными культурами используется коэффициент биологического поглощения (КБП), который рассчитывается как отношение содержания элемента в золе растения к его содержанию в пахотном слое почвы.

В работе использованы материалы органов государственной статистики по валовым сборам сельскохозяйственных культур, посевным площадям, дозам вносимых удобрений в Ивнянском районе Белгородской области за 19642010 гт.

ГЛАВА 3. ВЛИЯНИЕ УРОВНЯ ПРИМЕНЕНИЯ УДОБРЕНИЙ НА ПРОДУКТИВНОСТЬ АГРОЦЕНОЗОВ

Одно из основных условий устойчивого функционирования агроланд-шафтов - это регулирование биологического круговорота веществ. В этой связи компенсация дефицита питательных веществ рассматривается как экологически обусловленная задача. Основной способ регулирования баланса элементов питания в земледелии - это применение удобрений.

В Ивнянском районе применение органических удобрений достигло максимума (7,9 т/га) в 1990 г., а минимум (0-0,1 т/га) наблюдался в 2004-2006 гг. В 1985-1993 гг. уровень использования органических удобрений составлял 6,27,9 т/га и соответствовал научно обоснованным нормам. В среднем за период 1966-2010 гг. уровень внесения органических удобрений в Ивнянском районе составил 3,2 т/га, а в Белгородской области - 2,8 т/га. За 2006-2010 гг. в районе в среднем вносилось 2,2 т/га, а в области - 1,3 т/га органических удобрений.

На протяжении 1966-1990 гг. объёмы применяемых минеральных удобрений в Белгородской области неуклонно повышались. В 1990 г. в Ивнянском районе в среднем вносилось 273 кг/га минеральных удобрений, для сравнения: в Белгородской области вносилось 179 кг/га, в России - 83 кг/га, в США - 116 кг/га, в Италии -151 кг/га, в мире - 97 кг/га (Тютюнников, Борзенков, 1995).

В начале девяностых годов прошлого века объёмы применяемых удобрений в Ивнянском районе стали резко сокращаться, например, в 1995 г. минеральных удобрений было внесено всего 57, а в 2000 г. - 21 кг/га посева, что соответственно в 4,9 и 13,2 раза меньше, чем в 1990 г. В 1966-2010 гг. в хозяйствах Белгородской области было внесено в среднем 82 кг/га минеральных удобрений, в Ивнянском районе - 99,4 кг/га. В 2006-2010 гг. в Ивнянском районе в среднем вносилось 102,7 кг/га минеральных удобрений, а в Белгородской области - 94 кг/га.

За годы исследований существенно изменилась структура используемых минеральных туков. Доля азотных удобрений в последние десять лет составляет более 65%. На протяжении последних двадцати лет большинство пахотных почв области характеризуется близким к оптимальному содержанием подвижных форм фосфора и калия. Поэтому в земледелии области в первом минимуме находится азот, что обусловливает высокую эффективность азотных удобрений по сравнению с эффективностью фосфорных и калийных.

Комплексным показателем для оценки продуктивности почв района является средний сбор кормовых единиц с гектара посевной площади. Этот показатель рассчитывается на основе валовых сборов главных сельскохозяйственных

культур, посевных площадей и коэффициентов содержания кормовых единиц (к.е.) в продукции.

Между уровнем применения минеральных удобрений и продуктивностью пашни в районе установлена положительная корреляция (г = 0,96). Наиболее высокая продуктивность пашни отмечалась в 1986-1990 гг., когда был достигнут максимальный уровень применения удобрений. В эти годы выход кормовых единиц с гектара посевной площади в районе составил 4,63 тыс. Минимальная продуктивность пашни отмечена в 1966-1970 гг. - 2,17 тыс. к.е./га, когда был самый низкий уровень использования минеральных удобрений (табл. 2).

Таблица 2

Использование удобрений под все сельскохозяйственные культуры и сбор кормовых единиц в Ивнянском районе

Годы Органические удобрения, т/га Минеральные удобрения, кг/га Сбор кормовых единиц, тыс./га

n р2о5 к20 сумма

1966-1970 2д 19,8 11,9 12,4 44,1 2,17

1971-1975 2,3 24,8 12,6 17,0 54,4 2,44

1976-1980 3,3 38,4 20,0 26,8 85,2 2,71

1981-1985 5,1 63,0 46,0 36,0 145,0 3,68

1986-1990 7,2 90,7 84,1 68,6 243,4 4,63

1991-1995 5,5 51,9 37,8 31,3 121,0 3,48

1996-2000 1,5 24,9 14,2 6,3 45,4 2,67

2001-2005 0,4 32,4 10,4 10,2 53,0 2,80

2006-2010 2,2 69,9 16,3 16,5 102,7 3,32

Поэтому для повышения эффективности земледелия, сохранения плодородия почв необходимо будет повторить уже пройденный десятилетия назад путь, связанный с увеличением применения удобрений, не допуская при этом очевидных ошибок, которые приводят к снижению эффективности агрохимических средств и загрязнению окружающей среды.

ГЛАВА 4. АГРОЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ДИНАМИКИ КИСЛОТНОСТИ ПАХОТНЫХ ПОЧВ

Один из основных показателей агроэкологического состояния пахотных почв - это кислотность. В процессе интенсивного агрогенного использования лесостепных подтипов чернозёмов ЦЧО наблюдается их подкисление (Васе-нёв, 2008). В районах Белгородской области, входящих в лесостепную зону на протяжении 1976-2009 гг. отмечалась тенденция снижения величины рНш на 0,1-0,5 и существенно, на 0,7-1,8 ммоль/100 г почвы, возросла гидролитическая кислотность. За годы наблюдений доля кислых почв в этих районах увеличилась на 17,4-48,3% (Чекмарёв и др., 2010).

В 1976 г. доля кислых почв в Ивнянском районе составляла 35,4%, а средневзвешенное значение величины рНКа составляло 5,7 (рис. 1, 2). В 1990 г. отмечено довольно резкое увеличение доли кислых почв до 67,9% и снижение величины рНка до 5,5. Одна из антропогенных причин этого в том, что за период 1985-1990 гг. был достигнут самый высокий уровень применения удобрений, в том числе и физиологически кислых. Даже относительно высокий уровень известкования кислых почв (более 2 тыс. га/год), достигнутый в эти годы, не смог существенно изменить ситуацию. В 2010 г. доля кислых почв увеличилась до 78,4%, а средневзвешенная величина рНКс! снизилась до 5,25. Отмеченная закономерность является следствием однонаправленного усиления выноса карбонатов за пределы почвенного профиля, которое имеет место в лесостепных подтипах чернозёмов. С большой вероятностью можно прогнозировать, что в будущем тренд к подкислению почв в данном районе сохранится.

Восполняются потери кальция в почве путем известкования. Работы по известкованию кислых почв Ивнянского района практически не проводились с 90 -ых годов прошлого века и возобновились только в 2012 г. Чтобы произвестковать все кислые почвы района потребуется около 400 тыс. т карбоната кальция.

1976 1985 1990 1995 2000 2005 2010

Годы

Рис. 1. Динамика средневзвешенного значения степени кислотности почв

(рНкс,)

0,4,

в Нейтральные > 6,0

и Близкие к

нейтральным 5,6-6,0 и Слабокислые 5.1-5,5

м Среднекислые 4,6-5,0

ы Сильнокислые 4,1 -4,5

Рис. 2. Распределение пахотных почв по степени кислотности (рНка) (2010 г.), % от обследованной площади

ГЛАВА 5. АГРОЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ДИНАМИКИ СОДЕРЖАНИЯ ОРГАНИЧЕСКОГО ВЕЩЕСТВА В ПАХОТНЫХ

ПОЧВАХ

Содержание органического вещества в почвах традиционно служит основным критерием почвенного плодородия, а в последние годы все больше рассматривается с точки зрения устойчивости почв как компонента биосферы. По данным Белгородского филиала ЦЧО «Гипрозем», между первым (1950-1965 гг.) и вторым (1970-1985 гг.) турами почвенного обследования потери органического вещества в несмытых типичных и выщелоченных чернозёмах составили 0,40,6% (Соловиченко, 2005). Однако по данным агрохимической службы в Белгородской, Курской и Воронежской областях за последние десятилетия содержание органического вещества в почвах стабилизировалось (Чекмарёв и др., 2011).

С 1990 года по настоящее время снижение содержания органического вещества в пахотных почвах Ивнянского района не зафиксировано. Средневзвешенное значение данного показателя находится в пределах 5,0-5,4%. В 2010 году 87,5% обследованных пахотных почв характеризовалось средней обеспеченностью органическим веществом, а 9,9% - повышенной обеспеченностью (рис. 3).

«Высокое8.Ы0,0 % |

и Повышенное б, 1-8,0

%

й Среднее 4.1-6.0 % «Низкое 2,1-4,0 %

Рис. 3. Распределение пахотных почв по содержанию органического вещества (2010 г.), % от обследованной площади

ГЛАВА 6. АГРОЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ДИНАМИКИ СОДЕРЖАНИЯ В ПАХОТНЫХ ПОЧВАХ ПОДВИЖНЫХ ФОРМ МАКРОЭЛЕМЕНТОВ

Нарушение баланса биогенных элементов в земледелии ведет не только к уменьшению производства продукции, но и к снижению устойчивости агро-ландшафтов. По мнению Д. Н. Прянишникова (1952), для обеспечения систематического роста урожаев необходимо возвращать в почву азот и калий на 80%, фосфор - на 100 %.

Дефицитный баланс азота в земледелии Ивнянского района складывался в 1964-1976 и 2001-2005 гг., что связано с низким уровнем использования удобрений. Однако интенсивность баланса (отношение приходной статьи баланса элемента к расходной, выраженное в процентах) в эти годы была вполне приемлемой - 83-91%. В остальные годы интенсивность баланса азота составляла 110,3-135,7%, и в основном это достигалось за счет использования минеральных азотных удобрений. Данный факт, с одной стороны, можно считать позитивным, поскольку положительный баланс способствует стабилизации азотного фонда почвы. С другой стороны, сильное превалирование поступления азота за счет удобрений над его выносом с урожаем свидетельствует о неэффективном использовании азотных удобрений. Уровень использования удобрений в эти годы должен был обеспечить более высокую урожайность и валовые сборы сельскохозяйственных культур.

На протяжении 1964-2010 гг. с минеральными удобрениями в агроланд-шафты поступало 41,6-69,0% азота, с органическими удобрениями - 3,9-30,8, с семенами - 1,7-5,0, за счёт симбиотической азотфиксации - 11,4-20,0, за счёт несимбиотической азотфиксации - 4,5-13,4%. Отчуждение азота из агроланд-шафтов происходило в основном с урожаем сельскохозяйственных культур

(82,9-88,9%). Со смытой почвой терялось 3,0-5,8, а в результате денитрифика-ции - 5,3-13,0% азота от его общего расхода (табл. 3).

Таблица 3

Хозяйственный баланс азота, фосфора и калия в земледелии Ивнянского района Белгородской области, кг/га посевной площади

Статьи баланса Годы

19641970 19711976 19771985 19861990 19911995 19962000 20012005 20062010

Азот

Приход 47,6 54,8 98,5 141,5 89,2 72,6 51,1 101,3

Расход 56,7 60,2 72,6 107,0 78,9 65,8 61,6 81,0

Баланс -9,1 -5,4 25,9 34,5 10,3 6,8 -10,5 20,3

Интенсивность баланса, % 84,0 91,0 135,7 132,2 113,1 110,3 83,0 125,1

Фос< [>ор (Р205)

Приход 19,2 22,5 50,1 92,0 49,4 30,8 12,8 24,6

Расход 18,9 21,3 21,9 31,4 24,7 20,3 20,4 24,8

Баланс 0,3 1,2 28,2 60,6 24,7 10,5 -7,6 -0,2

Интенсивность баланса, % 101,6 105,6 228,8 293,0 200,0 151,7 62,7 99,2

Калий (К20)

Приход 25,0 33,1 57,5 88,3 50,5 15,7 13,8 33,1

Расход 50,1 51,9 56,3 67,7 57,2 52,8 50,8 50,1

Баланс -25,1 -18,8 1,2 20,6 -6,7 -37,1 -37,0 -17,0

Интенсивность баланса, % 49,9 63,8 102,1 130,4 88,3 29,7 27,2 66,1

На протяжении 1977-2000 гг. хозяйственный баланс фосфора в земледелии района был положительный. Причем, в 1986-1990 гг. поступление фосфора с удобрениями почти в три раза превышало вынос элемента с урожаем и потери со смытой почвой. Практически в эти годы фосфорные удобрения на большинстве площадей вносились «в запас». Следствием положительного баланса стало существенное увеличение содержания подвижных форм фосфора в пахотных почвах. В 2001-2010 гг. баланс фосфора стал отрицательный (интенсивность 62,7-99,2%), что привело к снижению содержания подвижных форм в почве. С минеральными удобрениями в агроландшафты поступало 58,7-81,3% фосфора, с органическими удобрениями - 10,9-36,9, с семенами - 1,1-7,8%. Отчуждение фосфора из агроландшафтов происходило в основном с урожаем сельскохозяйственных культур (84,5-92,7%). Со смытой почвой терялось 7,315,5% этого элемента от его общего расхода.

Баланс калия, рассчитанный с учетом эрозионных потерь этого элемента, был положительным в 1977-1990 гг., и дефицитным - на протяжении остальных циклов агрохимического обследования. С минеральными удобрениями в агроландшафты поступало 40,1-73,9% калия, с органическими удобрениями -15,9-60,9, с семенами - 1,3-8,0%. Отчуждение калия из агроландшафтов на 40,1-55,7% происходило с урожаем сельскохозяйственных культур и на 44,359,9% - со смытой почвой.

По результатам сплошного агрохимического обследования почв средневзвешенная величина содержания легкогидролизуемого азота в пахотных почвах Ивнянского района существенно не менялась, находясь в пределах 164-176 мг/кг. В 2010 году 90,7% пашни относилось к категории среднеобеспеченной по данному показателю (рис. 4).

В первом цикле агрохимического обследования (1964-1967 гг.) средневзвешенное содержание подвижного фосфора по Чирикову в пахотных почвах Ивнянского района составляло 56 мг/кг, а к 1995 г. этот показатель увеличился в 2,86 раза и составил 160 мг/кг (рис. 5.). В 2005 г. средневзвешенное содержание подвижного фосфора уменьшилось почти на 10% и составило 145 мг/кг, а в 2010 г. величина данного показателя снизилась еще на 15% и составила 123 мг/кг. Причина этого в резком снижении использования фосфорных удобрений. Между поступлением фосфора и содержанием подвижных форм этого элемента в почвах установлена положительная корреляция (г=0,41). По сравнению с первым циклом обследования средневзвешенное содержание подвижного фосфора в девятом цикле увеличилось на 67 мг/кг. В настоящее время в Ивнянском районе преобладают почвы со средним содержанием подвижного фосфора (37,2%) и повышенным содержанием (37,1%) (рис. 6).

4,7 ОД 4,5

в Очень низкое <100 мг/кг

«а Низкое 101-150 мг/кг

и Среднее 151-200 мг/кг

и Повышенное >200 мг/кг

90,7

Рис. 4. Распределение пахотных почв по содержанию легкогидролизуемого азота (2010 г.), % от обследованной площади

тч-ГГ 070 3976 1935 1990 1935 2 ООО 2005" 20 №

Рис. 5- Динамика средневзвешенного содержания подвижных форм фосфора в пахотных почвах, мг/кг

Рис. 6. Распределение пахотных почв по содержанию подвижных форм фосфора (2010 г.), % от обследованной площади

В 1964-1967 гг. средневзвешенное содержание подвижного калия по Чи-рикову в пахотных почвах Ивнянского района составляло 76 мг/кг (рис. 7). Затем величина этого параметра стала увеличиваться и в 1995 г. составила 115

м Низкое 21-50 мг/кг

Среднее 51-100 мг/кг

ш Очень высокое >200 мг/кг

мг/кг. В последующие годы в связи с резким сокращением использования удобрений отмечена тенденция снижения содержания подвижного калия в почвах. По результатам последнего цикла агрохимического обследования средневзвешенное содержание подвижных форм калия в почвах составило 106 мг/кг, 54,0% пахотных почв характеризуются повышенным (81-120 мг/кг) и 15,2% почв - высоким (121-180 мг/кг) содержанием этого элемента (рис. 8).

1964-67 1970 1976 1985 1990 1995 2000 2005 2010

Годы

. Динамика средневзвешенного содержания подвижных форм калия в пахотных почвах, мг/кг

Рис. 7

Рис. 8. Распределение пахотных почв по содержанию подвижных форм калия (2010 г.), % от обследованной площади

ш Среднее 41-80 мг/кг

iá Повышенное 81-120 мг/кг

«Высокое 121-180 мг/кг

ш Очень высокое >180 мг/кг

ГЛАВА 7. АГРОЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА СОДЕРЖАНИЯ КАД МИЯ, СВИНЦ А, РТУТИ И МЫШЬЯКА В УДОБРЕНИЯХ, ОСНОВНЫХ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ КУЛЬТУРАХ И ПАХОТНЫХ ПОЧВАХ

Учитывая высокую токсичность кадмия, мышьяка, ртути и свинца, в России установлены допустимые уровни (ДУ) содержания этих элементов в сельскохозяйственном продовольственном сырье и пищевых продуктах (СанПиН 2.3.2.1078-01) и временные максимально-допустимые уровни (МДУ) их содержания в кормах сельскохозяйственных животных (Соколов и др., 2008). Основными источниками поступления в агроценозы Ивнянского района тяжёлых металлов (ТМ) и мышьяка являются удобрения (табл. 4).

Таблица 4

Содержание кадмия, свинца, ртути и мышьяка в удобрениях, мг/кг

Вид удобрения Кадмий Свинец Ртуть Мышьяк

Навоз КРС (60% влаги) 0,11 2,34 0,007 0,26

Компост соломопомётный (45% влаги) 0,15 1,43 0,006 0,19

Стоки навозные (98% влаш) 0,026 0,27 0,002 0,005

Аммиачная селитра 0,04 0,16 0,005 0,34

Азофоска (16:16:16) 0,10 0,24 0,028 0,94

В 2006-2010 гг. средняя доза внесения органических удобрений составила 2,2 т/га и с ней вносилось в почву: кадмия - 0,24, свинца - 5,1, ртути - 0,015, мышьяка - 0,57 г/га. Доза минеральных удобрений составляла N70P16Í46, что соответствует внесению 100 кг/га азофоски и 160 кг/га аммиачной селитры. С минеральными удобрениями в почву поступало в среднем: кадмия - 0,016, свинца -0,05, ртути - 0,0036, мышьяка - 0,15 г/га. В сумме с органическими и минеральными удобрениями поступало в почву: кадмия — 0,26, свинца — 5,15, ртути — 0,019, мышьяка - 0,72 г/га. Потери в результате смыва составляли в среднем: кадмия - 0,36, свинца - 12,1, ртути - 0,03, мышьяка - 4,1 г/га, что существенно превышало размеры поступления ТМ и мышьяка с удобрениями.

По результатам проведения локального агроэкологического мониторинга на территории Ивнянского района Белгородской области установлено, что все изучаемые ТМ в основном накапливаются в побочной продукции зерновых культур. Среднее содержание кадмия, мышьяка, ртути и свинца в зерне озимой пшеницы составляло соответственно: 0,052±0,003, 0,021±0,001, 0,006±0,0002, 0,34±0,018 мг/кг абсолютно сухого вещества. В зерне ячменя содержание кадмия и мышьяка достоверно не отличалось, а концентрация свинца и ртути была ниже, чем в зерне озимой пшеницы. Превышения значений ДУ и МДУ не установлено (табл. 5).

Общий вынос кадмия с урожаем озимой пшеницы в 3,5 т/га составлял 0,45, мышьяка - 0,17 , свинца - 6,66, ртути - 0,053 г/га. С урожаем ячменя в 3 т/га выносилось: кадмия - 0,38, мышьяка - 0,13, свинца - 5,63, ртути - 0,031 г/га.

Таблица 5

Содержание кадмия, свинца, ртути и мышьяка в сельскохозяйственных культурах, мг/кг абсолютно сухого вещества

Сельскохозяйственная культура МДУ ДУ 1ш1

Кадмий

Озимая пшеница зерно 0,35 0,116 0,052±0,003 0,038-0,065 12,3

солома 0,36 - 0,065±0,003 0,052-0,076 10,1

Ячмень зерно 0,35 0,116 0,049±0,001 0,044-0,054 5,5

солома 0,36 - 0,081 ±0,004 0,063-0,096 9,7

Мышьяк

Озимая пшеница зерно 0,58 0,23 0,021±0,001 0,016-0,026 13,0

солома 0,60 - 0,024±0,001 0,019-0,029 10,4

Ячмень зерно 0,58 0,23 0,020±0,001 0,016-0,025 12,8

солома 0,60 - 0,025±0,002 0,018-0,031 14,3

Ртуть

Озимая пшеница зерно 0,116 0,035 0,006±0,0002 0,004-0,007 18,7

солома 0,060 - 0,008±0,0002 0,006-0,01 15,5

Ячмень зерно 0,116 0,035 0,004±0,0004 0,002-0,006 31,0

солома 0,060 - 0,007±0,0002 0,006-0,009 14,9

Свинец

Озимая пшеница зерно 5,8 0,58 0,34±0,018 0,26-0,41 11,6

солома 6,0 - 1,28±0,035 1,17-1,51 5,9

Ячмень зерно 5,8 0,58 0,27±0,019 0,22-0,37 14,8

солома 6,0 - 1,63±0,024 1,02-3,18 31,9

Кадмий, ртуть и свинец можно охарактеризовать как элементы высокой интенсивности поглощения, так как величина КБП была, в основном, более 1. Мышьяк является элементом низкой интенсивности поглощения, так как величина КБП составляла 0,09-0,35 (табл. 6).

Среднее валовое содержание кадмия в пахотном слое почв Ивнянского района составляет 0,31 ±0,02, мышьяка -3,51±0,16, ртути -0,026±0,001, свинца - 10,4±0,6 мг/кг. Эти значения можно считать региональными кларками элементов. Общее содержание кадмия, ртути и свинца с увеличением глубины почвенного профиля достоверно снижается, что свидетельствует о биофиль-ном накоплении этих элементов в пахотном слое. Наиболее высокое валовое содержание мышьяка отмечается в слое 81-100 см, что свидетельствует об отсутствии биофильного накопления этого элемента в гумусово-аккумулятивном горизонте.

Таблица 6

Коэффициенты биологического поглощения кадмия, свинца, ртути и мышьяка

зерновыми культурами

Сельскохозяйственная культура Зола, % от абсолютно сухого вещества Содержание в золе, мг/кг КБП, (мг/кг золы раст.) / (мг/кг почвы)

Кадмий

Озимая пшеница зерно 1,7 3,06 9,9

солома 7,2 0,90 2,9

Ячмень зерно 2,8 1,75 5,6

солома 7,3 1,11 3,6

Мышьяк

Озимая пшеница зерно 1,7 1,24 0,35

солома 7,2 0,33 0,09

Ячмень зерно 2,8 0,71 0,20

солома 7,3 0,34 0,10

Ртуть

Озимая пшеница зерно 1,7 0,35 13,6

солома 7,2 0,11 4,3

Ячмень зерно 2,8 0,14 5,5

солома 7,3 0,10 3,7

Свинец

Озимая пшеница зерно 1,7 20,0 1,9

солома 7,2 17,8 1,7

Ячмень зерно 2,8 9,6 0,9

солома 7,3 22,3 2,1

Содержание подвижных форм кадмия в пахотном слое почв составляет 0,054±0,003 (17,4% от валового содержания), свинца - 1,14±0,05 мг/кг (11%). С глубиной почвенного профиля содержание подвижных форм кадмия достоверно не изменяется, однако прослеживается тенденция снижения содержания в слое 61-80 см (щелочной барьер) до 0,050±0,002 мг/кг. Концентрация подвижных форм свинца в слое 61-100 см была достоверно ниже, чем в пахотном слое.

Валовое содержание и содержание подвижных форм ТМ в почвах Ивнян-ского района не превышало установленных уровней ориентировочно допустимой концентрации (ОДК) и предельно допустимой концентрации (ПДК) этих элементов (табл. 7).

Таблица 7

Содержание кадмия, свинца, ртути и мышьяка в пахотных почвах, мг/кг

Элемент одк/ пдк Глубина, см Нт У,%

Валовое содержание

Кадмий 1,0 (ОДК) 0-20 0,31±0,02 0,24-0,40 15,8

21-40 0,30±0,02 0,23-0,38 14,9

41-60 0,27±0,02 0,20-0,37 19,4

61-80 0,25±0,02 0,18-0,36 20,6

81-100 0,23±0,02 0,12-0,32 21,7

Мышьяк 5,0 (ОДК) 0-20 3,51±0,16 3,01-4,09 9,6

21-40 3,38±0,15 2,72-3,84 9,2

41-60 3,40±0,11 3,03-3,94 7,1

61-80 3,45±0,14 2,92-4,01 8,9

81-100 3,94±0,14 3,58-4,59 7,7

Ртуть 2,1 (ПДК) 0-20 0,026±0,001 0,019-0,030 11,2

21-40 0,023±0,002 0,016-0,028 14,3

41-60 0,020±0,001 0,015-0,025 13,6

61-80 0,017±0,001 0,012-0,023 16,9

81-100 0,016±0,001 0,012-0,020 15,3

Свинец 65 (ОДК) 0-20 10,4±0,6 8,2-14,5 13,1

21-40 9,8±0,5 7,4-11,3 10,6

41-60 9,2±0,5 6,6-11,3 12,2

61-80 8,7±0,5 6,5-10,5 12,9

81-100 8,3±0,8 4,0-10,3 21,6

Содержание подвижных форм

Кадмий не установлен 0-20 0,054±0,003 0,045-0,068 12,3

21-40 0,051±0,003 0,043-0,065 11,3

41-60 0,051±0,003 0,041-0,063 11,7

61-80 0,050±0,002 0,044-0,063 9,7

81-100 0,051±0,002 0,043-0,064 9,5

Свинец 6,0 (ПДК) 0-20 1,14±0,05 0,97-1,40 9,5

21-40 1,14±0,06 0,96-1,31 10,4

41-60 1,09±0,04 0,99-1,35 6,9

61-80 0,98±0,06 0,65-1,16 13,7

81-100 0,98±0,05 0,80-1,16 11,3

ВЫВОДЫ

1. В среднем за период 1966-2010 гг. уровень внесения органических удобрений (под все сельскохозяйственные культуры) в Ивнянском районе составил 3,2 т/га, минеральных - 99,4 кг/га. За 2006-2010 гг. в среднем вносилось 2,2 т/га органических и 102,7 кг/га минеральных удобрений, при этом продуктивность агроценозов составила 3,32 тыс. к.е./га. Наиболее высокая продуктивность агроценозов (4,63 тыс. к.е./га) отмечалась в 1986-1990 гг. при внесении в среднем 243,4 кг/га минеральных удобрений. Между уровнем применения минеральных удобрений и продуктивностью агроценозов установлена высокая положительная корреляция (i=0,96).

2. В результате длительного сельскохозяйственного использования пахотные почвы лесостепной зоны, представленные в основном чернозёмами типичными и выщелоченными, подкисляются. За период 1976-2010 гг. доля кислых пахотных почв в Ивнянском районе Белгородской области увеличилась с 35,4 до 78,4%, в том числе доля среднекислых почв возросла с 1,9 до 36,9%. Средневзвешенное значение величины pHKci снизилось с 5,7 до 5,25.

3. В течение 1991-2010 гг. интенсивность баланса азота составляла 83136%. Существенного изменения средневзвешенного содержания легкогидро-лизуемых форм азота и снижения содержания органического вещества в пахотных почвах Ивнянского района не установлено. По результатам обследования 2010 г. средневзвешенное содержание органического вещества в пахотном слое составляет 5,4%, а легкогидролизуемого азота -174 мг/кг.

4. В течение 1964-1995 гг. интенсивность баланса фосфора составляла 101,6-293,1%, вследствие чего средневзвешенное содержание подвижных форм фосфора в пахотных почвах увеличилось с 56 до 160 мг/кг. В течение 2001-2010 гг. интенсивность баланса фосфора уменьшилась до 62,7-99,2% поэтому содержание подвижного фосфора в почвах снизилось на 23,1% и составило 123 мг/кг.

5. В течение 1964-1995 гг. средневзвешенное содержание подвижных форм калия в пахотных почвах увеличилось с 76 до 115 мг/кг. На протяжении 1995-2000 гг. величина данного параметра снизилась на 8,7% и составила 105 мг/кг. В 2000-2010 гг. существенного изменения в обеспеченности почв подвижными формами калия не зафиксировано. Положительный баланс калия с интенсивностью 102,1-130,4% формировался в 1977-1990 гг., в остальные периоды наблюдений баланс был дефицитный с интенсивностью 27,2-88,3%.

6. Основным источником поступления кадмия, свинца, ртути и мышьяка в изучаемые агроценозы были органические удобрения. В современных условиях размеры поступления этих элементов с удобрениями незначительны и не превышают размеров их отчуждения в результате смыва почвы. Установлены региональные кларки валового содержания в пахотных почвах Ивнянского района кадмия - 0,31, мышьяка - 3,51, ртути - 0,026 и свинца - 10,4 мг/кг. Среднее содержание подвижных форм кадмия в пахотном слое составляет 0,054, свинца -1,14 мг/кг.

7. По величине коэффициента биологического поглощения кадмий (2,99,9), ртуть (3,7-13,6) и свинец (0,9-2,1) можно отнести к элементам высокой интенсивности поглощения. Мышьяк относится к элементам низкой интенсивности поглощения, так как величина КБП составляла 0,09-0,35. С увеличением глубины почвенного профиля от 0-20 см до 81-100 см валовое содержание кадмия, свинца, ртути снижается, а мышьяка повышается.

8. Содержание подвижных форм кадмия в слое 61-80 см имело тенденцию к снижению по сравнению с содержанием в слое 0-20 см, а концентрация подвижных форм свинца в слое 61-100 см была достоверно ниже, чем в пахотном слое. Уровни валового содержания изучаемых тяжёлых металлов, а также концентрации подвижных форм кадмия и свинца в почвах не представляют опасности для производства экологически безопасной растениеводческой продукции.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

* - публикации в печатных изданиях, рекомендованных Перечнем ВАК

1. Лукин, C.B. Мониторинг плодородия пахотных почв лесостепной зоны Центрально-Чернозёмного района / C.B. Лукин, Н.С. Четверикова // Вестник Российской академии сельскохозяйственных наук. - 2010. - №1. -С. 71-73. *

2. Чекмарёв, П.А. Динамика Кислотности чернозёмов в Белгородской области / П.А. Чекмарёв, C.B. Лукин, Н.С. Четверикова // Земледелие. -2010.-№7.-С. 14-15. *

3. Лукин, C.B. Мониторинг содержания тяжёлых металлов в почвах и сельскохозяйственных растениях / C.B. Лукин, Н.С. Четверикова, A.B. Малыгин // Землеустройство, кадастр и мониторинг земель. - 2011. - №7. -С.25-28. *

4. Четверикова, Н.С. Мониторинг плодородия чернозёмов лесостепной зоны / Н.С. Четверикова, C.B. Лукин, Л.В. Марциневская // Научные ведомости БелГУ. Серия: Естественные науки. - 2011. - №9 (104). - Выпуск 15.-С. 184-190. *

5. Лукин, C.B. Агроэкологическая оценка содержания азота в сельскохозяйственных растениях и почвах Белгородской области / C.B. Лукин, Н.С. Четверикова, М.А. Ероховец // Научные ведомости БелГУ. Серия: Естественные науки.-2011.-№21 (Пб).-Выпуск 17.-С.95-101. *

6. Лукин, C.B. Мониторинг содержания калия в чернозёмах / C.B. Лукин, Н.С. Четверикова // Экология ЦЧО РФ. - 2009. - № 2. - С. 39-41.

7. Четверикова, Н.С. Мониторинг содержания подвижных форм серы в пахотных почвах / Н.С. Четверикова, C.B. Лукин // Экология ЦЧО РФ. -2009,-№2.-С. 42-44.

8. Четверикова, Н.С. Мониторинг плодородия пахотных почв лесостепной зоны / Н.С. Четверикова, C.B. Лукин / Материалы XTV международной научно-производственной конференции 17-20 мая 2010 г. «Проблемы сельскохозяйственного производства на современном этапе и пути их решения», Белгород, 2010. - Издательство Белгородской ГСХА. - С. 53.

9. Четверикова, Н.С. Мониторинг использования удобрений в Белгородской области / Н.С. Четверикова, C.B. Алтухова, C.B. Лукин / Проблемы природопользования и экологическая ситуация в Европейской России и сопредельных странах: Материалы III Международной научн. конф. - Белгород, 20-24 октября 2010 г. - М.; Белгород: ИПЦ «ПОЛИТЕРРА», 2010. -вЗч.-Ч. 1.-С. 28-30.

Ю.Четверикова, Н.С. Мониторинг кислотности пахотных почв Белгородской области / Н.С. Четверикова / Проблемы природопользования и экологическая ситуация в Европейской России и сопредельных странах: Материалы П1 Международной научн. конф. - Белгород, 20-24 октября 2010 г. - М.; Белгород: ИПЦ «ПОЛИТЕРРА», 2010. - в 3 ч. - Ч. 1. - С. 28-30.

Отпечатано с готового оригинал-макета

Формат 60х84'Лб. Усл. печ. л 1,16. Тираж 100 экз. Заказ 186.

Издательство РГАУ - МСХА 127550, Москва, ул. Тимирязевская, 44 Тел.: (499) 977-00-12,977-26-90, 977-40-64

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата биологических наук, Четверикова, Наталья Сергеевна, Москва

Белгородский национальный исследовательский университет

На правах рукописи

04201356343

ЧЕТВЕРИКОВА Наталья Сергеевна

ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ИНТЕНСИВНОЙ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ НА СОСТОЯНИЕ АГРОЭКОСИСТЕМ В УСЛОВИЯХ ЛЕСОСТЕПНОЙ ЗОНЫ ЦЕНТРАЛЬНО-ЧЕРНОЗЕМНОГО РАЙОНА

Специальность 03.02.08 - экология (биология)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Научный руководитель: заслуженный деятель науки РФ, доктор сельскохозяйственных наук, профессор C.B. Лукин

Москва - 2013

А

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.........................................................................................................4

Глава 1. ВЛИЯНИЕ ИНТЕНСИВНОЙ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ НА ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ СОСТОЯНИЯ АГРОЭКОСИСТЕМ (ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ)..................................................7

1.1. Динамика кислотности почв в агроэкосистемах ЦЧР..........................7

1.2. Динамика содержания органического вещества в почвах.................10

агроэкосистем................................................................................................10

1.3. Динамика содержания макроэлементов в почвах и растениях.........15

агроэкосистем................................................................................................15

Глава 2. МЕТОДЫ И ХАРАКТЕРИСТИКА ОБЪЕКТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ..................................................................................................37

2.1. Краткая географическая характеристика Ивнянского района..........37

Белгородской области...................................................................................37

2.2. Агроклиматические ресурсы................................................................40

2.3. Характеристика почвенного покрова...................................................48

2.4. Методика проведения исследований...................................................53

Глава 3. ВЛИЯНИЕ УРОВНЯ ПРИМЕНЕНИЯ УДОБРЕНИЙ НА

ПРОДУКТИВНОСТЬ АГРОЦЕНОЗОВ.............................................................57

Глава 4. АГРОЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ДИНАМИКИ

КИСЛОТНОСТИ ПАХОТНЫХ ПОЧВ..............................................................68

Глава 5. АГРОЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ДИНАМИКИ СОДЕРЖАНИЯ ОРГАНИЧЕСКОГО ВЕЩЕСТВА В ПАХОТНЫХ

ПОЧВАХ....................................................................................................................73

Глава 6. АГРОЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ДИНАМИКИ СОДЕРЖАНИЯ В ПАХОТНЫХ ПОЧВАХ ПОДВИЖНЫХ ФОРМ МАКРОЭЛЕМЕНТОВ...........................................................................................79

6.1. Азот..........................................................................................................79

6.2. Фосфор....................................................................................................85

6.3. Калий.......................................................................................................93

Глава 7. АГРОЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА СОДЕРЖАНИЯ КАДМИЯ, СВИНЦА, РТУТИ И МЫШЬЯКА В УДОБРЕНИЯХ, ОСНОВНЫХ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ КУЛЬТУРАХ И ПАХОТНЫХ ПОЧВАХ..........................................................................................99

7.2. Кадмий в сельскохозяйственных культурах и почвах.....................100

7.3. Мышьяк в сельскохозяйственных культурах и почвах....................102

7.4. Ртуть в сельскохозяйственных культурах и почвах.........................104

7.5. Свинец в сельскохозяйственных культурах и почвах......................105

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК......................................................111

ПРИЛОЖЕНИЯ.......................................................................128

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время особую актуальность приобретает решение вопросов, связанных с устойчивым функционированием агроэкосистем в условиях техно-генеза, когда взаимодействие общества с окружающей природной средой вызвало множество отрицательных последствий, главное из которых - деградация почв.

В отличие от естественных биогеоценозов с относительно замкнутым циклом биогенных элементов в агроценозах происходит разрыв этого цикла из-за отчуждения питательных веществ с урожаем, смывом в результате эрозии и т.д. Нарушение баланса питательных веществ в земледелии ведет не только к уменьшению производства продукции и ухудшению её качества, но и к снижению почвенного плодородия и экологической устойчивости агроландшафтов.

В условиях Белгородской области актуальность таких исследований еще более возрастает, так как при интенсивном развитии животноводства и растениеводства не должны нарушаться фундаментальные биогеохимические циклы круговорота веществ, лежащие в основе жизнедеятельности биосферы.

Поэтому назрела необходимость комплексного подхода при изучении миграции как жизненно-важных, так и токсичных химических элементов в агро-экосистемах в условиях интенсивной сельскохозяйственной деятельности на конкретной территории хозяйствования.

Цель и задачи исследования

Цель исследований заключалась в анализе влияния интенсивной сельскохозяйственной деятельности на состояние основных компонентов агроэкосистем в условиях лесостепной зоны Центрально-Чернозёмного района.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

1. проанализированы закономерности изменения продуктивности агроце-нозов в зависимости от уровня использования органических и минеральных удобрений;

2. рассчитан баланс азота, фосфора и калия в земледелии;

3. проведена агроэкологическая оценка динамики кислотности, содержания органического вещества, легкогидролизуемого азота, подвижных форм фосфора и калия в пахотных почвах;

4. проведена агроэкологическая оценка содержания кадмия, свинца, ртути и мышьяка в органических и минеральных удобрениях, продукции озимой пшеницы и ячменя;

5. изучены закономерности биогеохимической миграции кадмия, свинца, ртути и мышьяка в профиле пахотных почв.

Объект исследования - агроэкосистемы Ивнянского района Белгородской области, входящие в лесостепную зону ЦЧР.

Предмет исследования - закономерности изменения состояния агроэкоси-стем под влиянием антропогенных факторов.

Защищаемые положения

1. Анализ многолетней динамики агроэкологического состояния пахотных почв лесостепной зоны.

2. Анализ закономерностей биогеохимической миграции тяжёлых металлов и мышьяка в профиле пахотных чернозёмов.

Научная новизна. Установлены закономерности изменения основных показателей агроэкологического состояния пахотных почв за длительный период их сельскохозяйственного использования. Установлены региональные кларки валового содержания в пахотных почвах кадмия, свинца, ртути и мышьяка. Уточнены фоновые уровни содержания тяжёлых металлов и мышьяка в органических и минеральных удобрениях, продукции основных сельскохозяйственных культур. Изучены закономерности распределения тяжёлых металлов и мышьяка по глубине почвенного профиля чернозёмных почв.

Практическая значимость работы. Исследования проводились в рамках реализации Федеральной целевой программы «Сохранение и восстановление плодородия почв земель сельскохозяйственного назначения и агроландшафтов как национального достояния России на 2006-2010 годы и на период до 2012

года». Результаты исследований автора широко используются при реализации долгосрочных целевых программ:

• «Известкование кислых почв на территории Белгородской области на 2010-2015 годы», утвержденной постановлением правительства Белгородской области №198-пп от 31 мая 2010 г.

• «Внедрение биологической системы земледелия на территории Белгородской области на 2011-2018 годы», утвержденной постановлением правительства Белгородской области № 324-пп от 29 августа 2011 г.

Опубликованные с участием автора, научные работы широко используются в учебных процессах в высших учебных заведениях Белгородской области.

Апробация работы. Основные результаты работы были представлены автором на XIV Международной научно-производственной конференции «Проблемы сельскохозяйственного производства на современном этапе и пути их решения» (Белгород, 2010) и III Международной научной конференции «Проблемы природопользования и экологическая ситуация в Европейской России и сопредельных странах» (Белгород, 2011).

Личный вклад автора заключается в непосредственном участии в выполнении комплексного мониторинга плодородия земель сельскохозяйственного назначения, обработке данных и анализе влияния антропогенных факторов на состояние агроэкосистем.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 10 работ, в том числе 5 в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК России.

ГЛАВА 1. ВЛИЯНИЕ ИНТЕНСИВНОЙ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ НА ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ СОСТОЯНИЯ АГРО-

ЭКОСИСТЕМ (ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ)

1.1. Динамика кислотности почв в агроэкосистемах ЦЧР

Значимым фактором плодородия почв, существенно влиянющим на формирование продуктивности сельскохозяйственных культур, является кислотность почвенного раствора. В Российской Федерации кислые почвы занимают 32% обследованной пашни, в Центральном Федеральном округе - 53,7%, в Тамбовской области - 70,1%, в Липецкой - 65,2%, в Курской - 59,6%, в Воронежской -26,2% (Чекмарёв и др., 2011).

Распашка чернозёмов сопровождается увеличением доли поглощённого водорода в ППК, причем последний в окультуренных почвах регистрируется в более глубоких слоях профиля, по сравнению с целинными разностями (Щербаков, Васенев, 1996; Васенев, 2008). При агрохимическом обследовании в районах с преобладанием чернозёмов выявлено 13-15 млн. га почв с рНКС| менее 5,5. Зафиксированы пахотные чернозёмы выщелоченные и оподзоленные не только со средней, но и с сильной степенью кислотности (Лукин, 2008).

Анализ результатов длительных стационарных полевых опытов и периодически проводимого агрохимического обследование чернозёмных почв показал, что в лесостепной зоне распространения оподзоленных и выщелоченных чернозёмов уменьшение величины рНКс1 составляет 0,03 в год. В длительном полевом опыте за 6 лет величина рНКс1 в пахотном слое оподзоленного чернозёма на неудобренном варианте снизилась на 0,4 единицы с 5,2 до 4,8, а на фоне (ИРКЬо - до 4,6. Одновременно величина Нг повысилась, соответственно, на 0,2 и 1,3 ммоль на 100 г почвы (Носко и др., 1998). В опытах В.Д. Соло-виченко (2005), проводимых на типичном чернозёме Белгородской области, в условиях зернопропашного и зернопаропропашного севооборотов за 15 лет наблюдений выявлено увеличение гидролитической кислотности на вариантах

без удобрений на 1,02-1,20 ммоль/100 г и на вариантах с внесением удобрений - на 1,23-1,35 ммоль/100 г.

В Тамбовской области, по данным Н.П. Юмашева и И.А. Трунова (2006), в 1971-1977 гг. доля кислых почв составляла 42,3%, а в 1996-2002 гг. она возросла до 70,1%. За этот же период времени средневзвешенное значение рНКа снизилось с 5,7 до 5,4. Ежегодное увеличение доли кислых почв в среднем составило 1,1%. Одновременно сократился удельный вес нейтральных почв с 46,3 до 6,9%.

Замедлить процесс подкисления черноземов в настоящее время не представляется возможным, так как уровень применения органических удобрений остается крайне низким, а химическая мелиорация кислых почв практически не проводиться. Увеличение кислотности пахотных почв ухудшает режим органического вещества. Усиление подвижности гумуса вследствие возрастания его водорастворимой части является одним из негативных последствий этого процесса и приводит к снижению содержания органического вещества в пахотном слое (Плодородие чернозёмов..., 1998). Увеличение кислотности пахотных чернозёмных почв не всегда приводит к ухудшению питательного режима почвы и снижению урожайности сельскохозяйственных культур устойчивых к кислотности (картофель, люпин, озимая рожь и др.). Под влиянием физиологически кислых удобрений довольно быстро происходит замена части поглощённого кальция на поглощённый водород и увеличиваются все виды кислотности, но при этом наблюдается повышение содержания подвижных форм фосфора, мели, цинка, кобальта в почве (Мобилизация запасов ..., 1970).

Кислотность почвы зависит от многих факторов, но в основном она обусловлена климатом, литологическим составом материнских пород, составом ПИК, направленностью почвообразовательного процесса, степенью эродирован-ности почв и влиянием хозяйственной деятельности человека. В Белгородской области в своем естественном состоянии чернозёмы выщелоченные характеризуются слабокислой реакцией среды почвенного раствора рНКс1 - 5,3 в слое

10-20 см. Для заповедных чернозёмов типичных характерна нейтральная реакция среды рНКс|- 6,02 (Красная книга почв..., 2008).

Основная причина подкисления пахотных почв лесостепной зоны - в отрицательном балансе кальция. Существенное влияние на подкисление почв оказывает внесение физиологически кислых удобрений, о чем свидетельствуют работы П.А. Горшкова (1960), Ю.К. Кудзина (1960), Л.С. Любарской (1974), Л.П. Бергуляева и И.В. Глущенко (1977). Обобщив результаты многочисленных стационарных полевых опытов характеризующих влияние систематического внесения минеральных удобрений на кислотно-основные свойства чернозёмных почв Л.М. Жукова (1980), констатирует их подкисление, возрастающее по мере увеличения доз и продолжительности использования физиологически кислых удобрений. Использование известкования или добавок, нейтрализующих физиологическую кислотность удобрений, позволит устранять нежелательные деградационные явления и успешно регулировать процессы, проходящие в почве. Например, при внесении 100 кг аммиачной селитры рекомендуется применять 100-150 кг извести для нейтрализации вызываемой кислотности.

Основным физиологически кислым удобрением, используемым на протяжении последних двадцати лет в Белгородской области, является аммиачная селитра. В 2000-2004 гг. объёмы её использования составляли 20867, в то же время размеры применения мочевины составляли 203, а безводного аммиака -156 т д.в. в год. Для нейтрализации избыточной почвенной кислотности, вызываемой использованием физиологически кислых удобрений, в 1984-1989 годы необходимо было применять 40 кг/га оксида кальция, а в 2000-2004 годы - около 15 кг/га (Лукин, 2008).

Антропогенными факторами, которые могут оказать прямое влияние на подкисление пашни вокруг индустриальных городов, являются выпадение кислотных (рН 3-4) атмосферных осадков и соединений серы (50-100 кг/га). В условиях Белгородской области эти факторы существенного влияния на подкисление почв не оказывают. В среднем за 1999-2005 гг. величина рН снеговой воды на реперных участках составила 6,4. От стационарных источников распо-

ложенных на территории области и за счет трансграничного переноса на гектар пашни поступает около 2-3 кг серы, что в большой степени определяет отрицательный баланс серы в земледелии и существенное сокращение содержания подвижной серы в почвах. Основная масса выбросов диоксида серы происходит в городах Губкин (8,7 тыс. т) и Старый Оскол (2,1 тыс. т), однако средневзвешенная величина рНКс1 пахотных почв в этих районах существенно не изменяется (Лукин, 2008).

В ЦЧР с увеличением степени эродированности кислотность пахотных почв, как правило, уменьшается. Величина рНКС1 типичного чернозёма составляет 6,3, слабоэродированного - 6,4, среднеэродированного - 6,7, сильноэроди-рованного - 6,8 (Ахтырцев, Соловиченко, 1984). Черноземы склонов северной экспозиции в условиях Белгородской области более кислые, чем южной. Это связано с глубиной размещения карбонатов и степенью смытости почвы (Каштанов, Явтушенко, 1997).

1.2. Динамика содержания органического вещества в почвах

агроэкосистем

Органическое вещество почвы аккумулирует огромное количество углерода и способствует тем самым большей устойчивости круговорота углерода в природе. Органическое вещество во многом определяет пищевой режим пахотных почв, оказывая на него прямое воздействие как источник питательных веществ. В составе органического вещества концентрируется около 90% почвенного азота, значительное количество фосфора, калия, кальция и микроэлементов. Косвенное влияние органического вещества обусловлено воздействием разных групп органических веществ на агрохимические, физико-химические, водно-физические свойства почв. С органическим веществом сопряжено образование агрономически ценной структуры почвы и увеличение её влагоёмкости. На почвах с высоким содержанием органических веществ, существенно снижаются потери питательных элементов в результате процессов миграции и загрязнение сопряженных сред,

усиливается микробиологическая активность. Органическое вещество, вследствие его большой комплексообразующей способности, в значительной мере определяет ёмкость поглощения катионов.

В последние годы учёные делят органические соединения почвы на две большие группы. В первую группу входят консервативные, устойчивые к воздействию вещества, а во вторую - лабильные соединения.

Первая группа включает соединения, характеризующие типовые признаки почв, которые формируются в течение продолжительного времени. К ним главным образом относятся: гуминовые кислоты, фульвокислоты, гуматы и гумин. С количеством, составом и свойствами этих веществ связаны: водно-физические и кислотно-основные свойства, окраска почв, тепловой режим, ёмкость поглощения, потенциальные запасы питательных элементов. Данная группа веществ не принимает значительное участие в минеральном питании растений, однако создаёт для них благоприятные условия (Кирюшин, 1996).

Вторая группа органиче�