Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему

Потери биогенных элементов от эрозии почв в условиях Воронежской области

ВАК РФ 06.01.03, Агропочвоведение и агрофизика

Текст научной работыДиссертация по сельскому хозяйству, кандидата сельскохозяйственных наук, Кузнецова, Елена Васильевна, Воронеж

Мшшшстерстм сельстшг© хозяйства ш тродшшшьсттвшш

Р©ешйошш Федерации Воронежский государственный аграрный университет

им. К. Д. Глинки

Кафедра почвоведения

ПОТЕРИ БИОГЕШПНПЬЖ ЭЛЕМЕНТЕ ОТ ЭЕОЗМШ МОЧЕ

Научный руководитель - доктор сельскохозяйственных наукэ

На правах рукописи

Кузмещмм Еленш Ешешлмтт

Е УСЛОЕИЖ ЕОРОЫЕЖСЖОР ОБЛАСТИ

профессор

Воронин В

И.

Вороток

1Ш

Введение и краткая характеристика диссертационной работы ......... 4

и их потери от эрозии почв (обзор информации)........

игшция

1.4. Влияние рельефа на характер эрозии...................................40

1.5. Предотвращение потерь биогенных элементов от эрозии.....42

1.6. Пути и методы определения потерь элементов...................... 45

Характеристика объекта и методы исследования.......................... 55

типичных и обыкновенных ................................................. 63

, Методология и методы исследований ................................... 77

, 1. Определение потерь биогенных элементов по слою

смытой почвы и по интенсивности смыва почв............... 78

,2.Определение потерь водорастворимых (ионный сток)

Валовые потери биогенных элементов от эрозии почв за период их распашки и за год ......................................

-34. Пространственное перераспределение биогенных элементов в различных рельефных условиях .................................................... 111

основным элементам рельефа .............................................. 111

отдельного склона................................................................. 116

5. Определение экономического ущерба от потерь основных элементов питания в результате эрозии почв ................................ 122

5.1. Прогнозные оценки потерь биогенных элементов ............. 122

Современное почвоведение постоянно дифференцируется. Развиваются новые разделы генетического почвоведения, формируются самостоятельные разделы прикладного направления: агрономическое, мелиоративное, лесное, санитарное, палеопочвенное и др. Глобальная проблема современного почвоведения = взаимодействие человека с почвой, изучение конфликтных и стрессовых ситуаций, возникающих между человеком и почвой, требований, предъявляемых почвенной средой человеку и ответа человека на эти требования. Почва по-прежнему остается главным и незаменимым фактором сельскохозяйственного производства, и в то же время она выступает основным компонентом биогеоценоза и биосферы в целом (30ннД983).

В настоящее время антропогенное воздействие на почву многократно увеличилось и всю тяжесть техногенных нагрузок почва стала испытывать на себе. Специфичность почвы как естественноистори-ческого тела природы состоит в том, что она способна накапливать и отражать в себе весь ход исторических воздействий. Горные породы составляют 80-90% почвенной массы. Поэтому почвы наследуют не только особенности состава, но и следы законсервированной или окаменелой прошлой жизни. Кроме того, они хорошо отражают в се-

си?

бе различного рода антропогенные воздействия и являются лучшими диагностическими свидетельствами состояния агроландшафта, природных ресурсов и экологической ситуации.

На сегодняшний день земельные ресурсы России составляют 1,7 млрд. га, из них сельскохозяйственные угодья занимают 222,1 млн. га, а распахано 132,2 млн. га. Прежняя система сельскохозяйственного производства из-за несбалансированности ее отраслей и не всегда обоснованного наращивания объемов производства, потерь сырья при хранении и переработке и т. д. постоянно требовала расширения площади пашни. Изменения системы государственного управления агропромышленным комплексом, земельная реформа, уменьшение

более резкое ухудшение их качественного состояния.

Общая площадь разрушенных и деградированных за всю исто=

1

риго человечества почв составляет 20 млн. км , что значительно пре-вытает всю пахотную площадь современного мира =15 млн. км . Со= гласно документам ООН распределение площадей деградированных почв таково: крайняя степень деградации =1%; сильная = 15%; умеренная = 46%; легкая - 38%. Соотношение наиболее распространенных видов деградации: водная эрозия = 56%; ветровая эрозия = 28%; химическая деградация - 12%; физическая деградация = 4% (Экология..., 1997).

Площадь эрозионно=опасных почв России составляет 124 млн. га. Наибольшее распространение эрозия почв получила в основных земледельческих районах страны. Так, в Среднем Поволжье площадь смытой пашни составляет 16,8%, а в ЦЧО этот показатель доходит до 20,7%. По Белгородской и Курской области ЦЧО смытость пахотных почв достигает соответственно 48,7% и 29,2%. Тамбовская область менее подвержена эрозии, здесь смытость пахотных почв составила бэ6%. Водной и ветровой эрозией в ЦЧО каждый год смывается и уносится с полей вдвое больше питательных веществ, чем их вносилось на поля и луга в туках за сезон в доперестроечное время (Иванов, 1982).

Каждый год одна из богатейших житниц России (ЦЧО) теряет в среднем от 8 до 10 тыс. га почв от эрозии (Иванов, 1984). Подсчитано, что при смыве 20-см слоя типичного воронежского чернозема на одном гектаре теряется гумуса 170 тонн, азота и фосфора - по 9 тонн, калия и кальция - по 60 тонн (Адерихин, 1963). Такого количества

питательных элементов хватило бы на выращивание двухсот урожаев с этой площади.

Почвы Воронежской области эрозии подвержены неодинаково: в южных районах показатель смытости колеблется от 30 до 40%, а в северных и северо-восточных районах = всего 5-10% (Марковский, Коецова, Хруцкий, 1979). Из-за эрозии Воронежская область недобирает до 15=20% урожая на слабосмытых землях, до трети - на средне-смытых и более половины = на сильносмытых.

Научной общественностью делается не так уж мало, чтобы привлечь внимание правительства к насущной проблеме сохранения почвенного покрова. К сожалению, эффективность этих действий и реализация предлагаемых мероприятий далеко не соответствуют их важности. Причин тому множество, включая финансово-экономические, но не последнюю роль играет и недостаточное понимание того, насколько опасен глобальный процесс деградации почв, ведущий к нарушению устойчивости биосферы и благополучия человека.

В 1992 и в 1996 годах правительство Российской Федерации утвердило Государственную комплексную программу повышения плодородия почв. К сожалению, это важное постановление правительства не выполняется и почвенный покров России продолжает деградировать. Межведомственная комиссия по экологической безопасности Совета безопасности РФ в октябре 1993 года рассмотрела вопрос о необходимости срочных мер, направленных на предотвращение дальнейшей деградации почвенного покрова как угрозы национальной безопасности страны. Рекомендации межведомственной комиссии не были реализованы. Не принят пока и Государственной думой РФ закон об охране почв, важность которого не вызывает сомнений.

Изучение миграции и потерь биогенных элементов в связи с эрозией почв способствует более детальному пониманию биогеохимического круговорота веществ, который представляет собой систему согласованных в пространстве и во времени трансформационных и ми-

грационных потоков вещества и энергии, протекающих последовательно или в фазе биоты или в неживых фазах почвы.

В. И. Вернадский (i960, 1997) указал пути изучения круговорота макро- и микроэлементов в природе. Именно комплексный биогеохимический аспект исследований, сопряженный с изучением всех звеньев природных или культурных ландшафтов, дает наиболее пол-нуго характеристику миграции и аккумуляции химических элементов.

Уникальное сочетание базовых морфогенетических свойств, физических режимов и биогеохимических процессов русских черноземов заслужено сделало их символом не только российского, но и мирового почвоведения. Сослужив, по меткому выражению В.И. Вернадского (1977), «роль лягушки в физиологии или кальцита в мине-ралоши», чернозем и сейчас представляет собой чрезвычайный интерес.

Определение потерь биогенных элементов от эрозии стало возможным благодаря углубленному познанию процесса эрозии и ее количественного прогноза на ближайшую и отдаленную перспективу. Поступление, освобождение, миграция, трансформация элементов осуществляется в системе «почвы-растения-животные-человек», поэтому сущность вышеуказанных проблем заключается в рациональном природопользовании, исключая при этом нарушение многочисленных нитей естественного равновесия в природе, которое могло бы привести к отрицательным или нежелательным последствиям.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Эрозия почв по международным экспертным оценкам входит в категорию шести смертельно-опасных явлений мировой цивилизации. В Воронежской области из 3218 тыс. гектаров пашни 518 тыс. разрушены эрозией; нарушен баланс веществ на эродированной пашне; резко снизилось плодородие почвы; происходит всеобъем-легощая деградация самой основы сельскохозяйственного произвол-

ства. В связи с этим необходимо углубленное изучение потерь биогенных элементов от эрозии почв.

Акжутшжжь темы исследовании определена нарастанием интенсивности эрозии, резким снижением плодородия черноземных почв, значительными потерями биогенных элементов от эрозии из продуцирующей системы «почва растение» и недостаточной изученностью данной проблемы, а также необходимостью определения действительных потерь биогенных элементов из этой системы, ре= ального ущерба сельскохозяйственному производству и определения системы мероприятий по восполнению потерь элементов питания растений, максимально приближаясь к административным районам области и конкретным условиям каждого землепользования.

Цель шсследжшмшй = выявить закономерности перераспределен ния биогенных элементов под влиянием эрозии, определить потери общих, подвижных и воднорастворимых соединений за год и весь период интенсивного использования эродированной пашни по отдельным склонам, административным районам и в целом по Воронежской области для осуществления различного рода прогнозов по восполнению потерь и определения путей преодоления отрицательных последствий.

= определить экономический ущерб от эрозии за счет потерь биогенных элементов, исхода из современной стоимости удобрений;

= выявить геоморфологические районы, в которых эти потери прини= мают угрожающий характер и наметить систему мероприятий по со= кращению потерь биогенных элементов от эрозии.

= разработаны программа и методика определения действительных потерь биогенных макро- и микроэлементов почвы применительно к природно-еельскохозяйственным, геоморфологическим и админист= ративным районам Воронежской области для черноземного типа почв и их доминирующих подтипов на пахотных склонах; = раскрыт механизм эрозии, потерь и перераспределения биогенных элементов; определена потребность в удобрениях от эрозии почв на пахотных склонах; рассчитан ирямои экономическии ущерб сельско= му хозяйству по дефициту основных элементов питания растений.

Ншучтт ттшзшш ршёалшшшНо Использована оригинальная методика, позволяющая воссоздать наиболее полную общую картину потерь от эрозии. Впервые для условий области на основе системного анализа информации и фактического экспериментального материала автора применительно к различным геоморфологическим, почвенно-климатическим и административным районам определены потери биогенных макро= и микроэлементов от эрозии почв, ущерб от их де= фицита в почве, дополнительная потребность в удобрениях и мелио= рантах и затраты на восстановление утраченного плодородия.

Прткмшчестя жтчшмжтЬо Использование систематизиро» ванеош материала и показателей потерь биогенных элементов от эрозии применительно к выщелоченным, типичным и обыкновенным черноземам и конкретному землепользованию позволяет производить

качественнуго оценку почв, балансовые расчеты, разрабатывать систему мероприятий по устранению дефицита как отдельных биогенных элементов, так и их совокупности по конкретным севооборотам и прогнозировать характер изменений в перспективе на региональном уровне.

Лшчпым (вкшшд (оквморш. В течение 1995-1999 г.г. автором выполнены следующие виды работ:

- изучены и систематизированы справочные и экспериментальные материалы госагрохимцентра «Воронежский», данные почвенных обследований мнститута «Росгипрозем», режимные и единичные наблюдения за гидрохимией поверхностных вод гидрометеорологической обсерватории «Каменная степь», Нижнедевицкой воднобалан-совой станции, Воронежского комитета по экологии и охране окружающей среды, статистические сборники Воронежского облгоском-стата, а также специально выполненны работы, на основе которых разработан алгоритм и методика исследований; = заложено 16 почвенно-геоморфологических профилей, по которым произведен отбор проб почвы, продуктов смыва и поверхностных вод, выполнен их химический анализ;

= определены потери биогенных элементов от эрозии почв, выполнено районирование территории области, рассчитаны потребности в удобрениях по административным районам и экнономический ущерб сельскохозяйственному производству, намечены пути предотвращения потерь биогенных элементов, снижения отрицательных последствий на основе современных достижений науки и практики.

Автор выражает благодарность и признательность за оказанную помощь и полезные советы всем сотрудникам кафедры почвоведения. Особую благодарность за помощь в работе выражаю профессорам В. Д. Иванову и В. И. Воронину, а также Госагрохимцентру «Воронежский» и лично А.Н. Орлу и В.Н. Романюк за предоставленные материалы и помощь в выполнении химических анализов.

1о Ршшь ш зшмшш© (ашотшшыж зщшштов к эпшшотш&ж ш шж ¡тотерш от зревший шчт (обзор информации) Ряд широко распространенных, наиболее важных и значимых биогенных макроэлементов имеет следующий вид: С, Н, 0,14, А!, Ре, Са, М§, К, Ма, Р, 8.

ИХ Бшгшпшьп© зшшшиъп ш эпшшстемаж Углерод присутствует в почве: 1) = в основном в составе гумуса и органических остатков; 2) - в виде минеральных углекислых солей. Его содержание в почве колеблется от долей процентов (песчаные почвы) до целых процентов (черноземы, серые лесные почвы) и даже десятков процентов (торфяные почвы). Баланс углерода достигается поступлением его в почву в виде растительного опада и растительно-пожнивных остатков, а также внесением органических удобрений.

Азот сосредоточен, в основном, в органическом веществе = свыше 99%, хотя имеются данные (Адерихин, Щербаков, 1974), нто эта величина снижается в некоторых почвах до 98-93% за счет увеличения минеральных форм в виде фиксированного аммония. Составляет 1/40 - 1/20 (около 5%) от величины содержания гумуса, либо 1/20 = 1/10 от величины содержания углерода. Расчетное содержание азота в почве определяют умножением процентного содержания перегноя на коэффициент 0,05. Но органический азот практически недоступен растениям. Доступные растениям ионы и МН4+ образуются при разложении азотсодержащих органических остатков в процессе аммонификации и нитрификации. В почве 0Д% азота, но он жизненно необходим растениям, поскольку является компонентом белковых веществ, хлорофилла, нуклеиновых кислот, фосфатидов живой клетки. Запасы азота пополняются путем внесения минеральных и органических удобрений, азотофиксаторов и с атмосферными осадками.

Кислород наиболее широко представлен в почве, так как входит в состав гумуса, большинства первичных и вторичных минералов почв, воды, оксидов, многих солей и кислот. Это обусловлено тем, что почва формируется в условиях окислительных режимов. Но при

проведении химических анализов почв кислород не определяется, а рассчитывается на основе содержания других связанных с ним элементов.

Водород входит в состав самого распространенного на Земле соединения - воды, а также гумусовых веществ, органических и минеральных кислот, кислых солей и шдроксильного иона. Ион Н+, входя в состав ППК и являясь непременным компонентом почвенных растворов, определяет их реакцию, играя иногда преобладающую роль в почвообразовании и плодородии почв (в основном, негативную).

Кремний находится в почве в виде кварца (8102) и солей кремниевых кислот - силикатов и алюмосиликатов. Аморфный (в виде опала или халцедона) кремнезем обусловлен биогенными или гидрогенными процессами. Значение кремнш: 1 - костяк почвенной массы, 2- распределение кремния по профилю - показатель протекающих - кремнии определяет целый ряд свойств почв.

Алюминий присутствует в составе первичных (полевые шпаты, слюды) и вторичных (глинистых) минералов, а также оксидов и шд-роксидов алюминия (бемит, гиббсит). Содержание в почвах от 1-2% до 15-20% (в ферралитных почвах - до 40%). Обладает активной миграционной способностью, а следовательно, является диагностическим показателем протекающих почвенных процессов. Формирует кислотность почв. Токсичен для растений. Связывает фосфор в малодоступные для растений соединения.

Железо встречается в составе первичных и вт