Сельское хозяйство – одна из основных отраслей деятельности человека, которая обеспечивает население высококачественными продуктами питания. Ведение сельскохозяйственного производства и, в особенности, выращивание зерновых культур является одной из наиболее значимых отраслей растениеводства в России, поскольку наша страна обладает наибольшей площадью земель сельскохозяйственного назначения и характеризуется наличием высокоплодородных черноземных почв [1, 2].
Растениеводство – исторический вид отраслевого природопользования, который в настоящее время распространен практически повсеместно – от экваториальных до субарктических широт. Как отраслевое природопользование он базируется на использовании различных природных ресурсов (в первую очередь почвенного покрова и воды), в состоянии которых в процессе их эксплуатации возникают значительные изменения [3, 4].
Поскольку почвы являются важнейшим ресурсом человечества, необходимо проводить агроэкологический мониторинг пахотных земель для получения достоверной информации о состоянии их эффективного плодородия и агроэкологической устойчивости с последующим использованием результатов в планировании и проведении агрохимических и мелиоративных мероприятий.
Цель исследования: проведение агроэкологической оценки состояния почвенного покрова пашни за 2017 г. на основе изучения пространственной динамики некоторых показателей плодородия почвы и содержания в ней подвижных соединений тяжелых металлов на примере предприятия ООО «Агрофирма «Сеченовская» Сеченовского района Нижегородской области.
Материалы и методы исследования
По агрономическому делению Нижегородской области зона расположения хозяйства относится к юго-восточному агроклиматическому району. Климатические условия хозяйства благоприятны для выращивания районированных сельскохозяйственных культур и ведения интенсивного земледелия. Среднегодовое количество осадков находится в пределах 450–500 мм, в том числе за теплый период – 349 мм. Продолжительность вегетационного периода составляет 175 дней. Специализация хозяйства – производство зерна.
Почвенный покров пашни исследуемого предприятия представлен черноземами оподзоленными среднемощными среднегумусированными легкоглинистыми несмытыми, образованными на малокарбонатных глинах [5]. За период с 1999 по 2009 г. в хозяйстве планово проводилось два мелиоративных мероприятия по внесению извести (2002 и 2008 гг.) и фосфорсодержащих удобрений (2008 г.). Предполагалось изменение кислотности слабокислых почв до более нейтральной pH-реакции, а также увеличение содержания в них подвижных соединений фосфора. В итоге данные мероприятия показали положительный результат. Обменная кислотность со значения 5,3 ед. рНKCl была нейтрализована до 5,5 ед. pHKCl, а содержание подвижных соединений фосфора увеличилось в среднем на 87 мг/кг.
Для проведения аналитической части работы в летний период 2017 г. проводился отбор пяти почвенных проб с одного из наиболее интенсивно осваиваемых полей предприятия согласно ГОСТ 28168-89. Площадь поля – 10 га. Образцы отбирали непосредственно с участка пашни (агроценоза) из слоя пахотного горизонта (18 см), расположение точек отбора представлено на рис. 1.
Рис. 1. Картосхема земельных участков ООО «Агрофирма «Сеченовская» и расположение точек отбора проб почвы с исследуемого участка
После отбора проб почвы на базе эколого-аналитической лаборатории мониторинга и защиты окружающей среды Мининского университета в период лета 2017 г. был проведен их агрохимический и эколого-токсикологический анализ по следующим показателям [6]: обменную кислотность определяли потенциометрическим методом при помощи рН-метра МАРК-903 по ГОСТ 26483-85, содержание гумуса – спектрофотометрическим методом по Тюрину при помощи спектрофотометра ПЭ-5400 ВИ по ГОСТ 26213-91, содержание подвижного фосфора – спектрофотометрически по методу Кирсанова для некарбонатных почв по ГОСТ 26207-91, гидролитическую кислотность почвы и содержание в почве суммы обменных оснований определяли титриметрическим методом по ГОСТ 26212-91 и ГОСТ 27821-88 соответственно. В качестве критериев геоэкологической устойчивости почвенного покрова был выбран уровень содержания в почве подвижных соединений тяжелых металлов (меди, цинка, кадмия, свинца), которое определяли инверсионно-вольтамперометрическим методом на полярографе ТА-Lab по МУ 31-11/05.
Статистическая обработка выполнялась с помощью вариационного анализа данных в программе Excel; аналитическая повторность в опытах трехкратная [7].
Результаты исследования и их обсуждение
Почвообразовательный процесс в зонах черноземов протекает под покровом травянистой лугово-степной и степной растительности в условиях периодически промывного или непромывного водного режима. Богатая растительность оставляет после себя значительное количество ежегодно оставляемых в почве корневых остатков, что способствует накоплению в ней большого количества перегноя и предгумусовых компонентов.
Несмотря на благоприятные свойства и режимы, определяющие высокий потенциал плодородия черноземных почв, последние имеют и ряд недостатков. Они подвержены засухам и суховеям, а также водной и ветровой эрозии (дефляции). Со стороны показателей питательного режима достаточно часто встречаются черноземные почвы с низким содержанием подвижных соединений фосфора при его значительных валовых количествах. Это является следствием генезиса почв черноземного ряда [5], при котором большая часть фосфора находится в связанном состоянии в виде органофосфатов. С другой стороны, часть черноземов России выпахана в результате интенсивного использования, содержит недостаточное количество гумуса, элементов питания растений, характеризуется низкой степенью оструктуренности. Поэтому для сохранения и повышения их плодородия необходимо проводить комплекс агротехнических, агрохимических и мелиоративных мероприятий, направленных на сохранение и накопление влаги с помощью лесонасаждений, снегозадержания, паровой обработки почвы, а также на использование для орошения воды местного стока и применения различных органических удобрений, минеральных туков и мелиорантов [8].
Главным критерием определения состояния кислотности почвы является ее кислотно-основное равновесие, которое определяется показателями обменной и гидролитической кислотности, а также суммой обменных оснований. Это одни из основных почвенных характеристик, определяющие протекание различных почвообразовательных процессов, а также – доступность растениям различных питательных элементов [9–11].
Результаты определения показателей кислотности почвы и содержания в ней общего количества обменных оснований показаны в табл. 1 и на рис. 2.
Установлено, что в точках А2, А3 и А5 почва характеризовалась среднекислой реакцией, а в А1 и А4 – слабокислой [12]. В целом по полученным данным на момент отбора проб почва поля выдержана в оптимальной кислотности, поскольку для черноземных почв оптимальным уровнем кислотности считается уровень не ниже 5,1 ед. рНKCl. Степень насыщенности почвы основаниями, выражаемая отношением их суммы поглощенных катионов (S) к значению емкости обмена (T = НГ + S), в целом характеризовалась повышенной (более 70,1 %) и мало отличалась по точкам отбора проб почвы.
Сумма поглощенных оснований находилась на очень высоком уровне обеспеченности почвы (более 30 мг-экв/100 г) и по пространственной вариабельности была выровнена, что изначально обусловлено генезисом черноземного типа почв, который, в свою очередь, представлен карбонатными почвообразующими породами.
Таблица 1
Кислотно-основные показатели почвы в агроценозе
|
Показатель |
Значение по точкам отбора проб |
M ± m (V) |
Оптимум |
||||
|
А1 |
А2 |
А3 |
А4 |
А5 |
|||
|
Обменная кислотность (pHKCl), ед. pH |
5,5 |
4,9 |
5,0 |
5,5 |
4,9 |
5,2 ± 0,2 (6) |
5,2–6,0 |
|
Гидролитическая кислотность (HГ), мг-экв/100 г |
5,1 |
4,1 |
5,6 |
5,9 |
4,6 |
5,1 ± 0,4 (15) |
3,0–3,4 |
|
Сумма обменных оснований (S), мг-экв/100 г |
31,2 |
30,7 |
32,1 |
31,6 |
30,9 |
31,3 ± 0,3 (2) |
31,6–37,2 |
|
Емкость катионного обмена (Т), мг-экв/100 г |
36,3 |
34,8 |
37,7 |
37,5 |
35,5 |
36,4 ± 0,7 (4) |
35,0–40,4 |
|
Степень насыщенности основаниями (V), % |
86 |
88 |
85 |
84 |
87 |
86 ± 2 (2) |
78–90 |
Примечание. M ± m – среднее значение по точкам отбора ± стандартное отклонение, V – коэффициент вариации, %; оптимум (здесь и далее) – средневзвешенное справочное значение показателя относительно черноземных почв оптимального агропедогенеза по Нижегородской области [5] и средней степени их окультуренности.
Рис. 2. Динамика обменной кислотности в почве пашни предприятия за 1999–2017 гг.
Для того, чтобы определить временную вариабельность показателей кислотного режима почвы, необходимо сравнение по годам исследования (рис. 2).
Изначальное отсутствие сдвига водородного показателя почвы от применения известковых материалов в 2002 и 2008 гг., вероятно, было обусловлено высокой буферной силой черноземов, – к 2009 г. произошло существенное повышение обменной кислотности (на 0,2 ± 0,04 ед. рНKCl (V 4 %)), которое, однако, впоследствии было резко уменьшено на аналогичный эквивалент.
Немаловажным для изучения агроэкологического состояния пахотных почв является определение их свойств плодородия, в рамках которого были проведены обследования по показателям содержания гумуса как наиболее значимого свойства потенциального плодородия почв и содержания подвижных соединений фосфора, подвижность которого в почвах черноземного ряда может быть первичным фактором, лимитирующим урожайность сельскохозяйственных культур (табл. 2).
Таблица 2
Показатели содержания подвижных соединений фосфора и гумусированности почвы в агроценозе
|
Показатель |
Значение по точкам отбора проб |
M ± m (V) |
Оптимум |
||||
|
А1 |
А2 |
А3 |
А4 |
А5 |
|||
|
Содержание подвижного фосфора (Р2О5), мг/кг |
201 |
191 |
216 |
207 |
193 |
202 ± 5 (5) |
90–150 |
|
Содержание гумуса, % |
6,5 |
6,3 |
7,3 |
6,9 |
6,5 |
6,7 ± 0,2 (7) |
7,6–9,3 |
Содержание подвижных фосфатов в почве характеризовалось высоким уровнем обеспеченности, а его вариабельность по точкам отбора была средней и составляла 5 %. В целом по почве изученного поля нужно отметить, что его фосфатное состояние оптимально и относительно средних значений очевидно было обусловлено проведением фосфоритования в 2008 г.
Последнее существенно способствует пополнению почвенного раствора подвижными соединениями фосфора, которые пролонгированно оказывают позитивное влияние на урожайность сельскохозяйственных культур (рис. 3).
Рис. 3. Динамика содержания подвижных соединений фосфора в почве пашни предприятия за 1999–2017 гг.
На графике видно, что до 2009 г. содержание подвижных фосфатов в почве исследуемой пашни было резко уменьшено до уровня повышенной степени обеспеченности, что, вероятно, было обусловлено отсутствием мелиоративных и удобрительных мероприятий в хозяйстве и высоким выносом элемента питания биомассой культурных растений. За период 12 лет (2003–2017 гг.) показатель практически не менялся по причине длительного влияния фосфоритной муки, из которой, в свою очередь, происходит постепенный гидролиз фосфат-анионов из органофосфатов и минеральной части и их переход в почвенный раствор.
Обеспеченность гумусом почвы исследуемой пашни на всех точках характеризовалась высокой степенью (более 4,5 %), пространственная вариабельность по точкам отбора – средняя. В точках А3 и А4 количество гумуса в почве оказалось наиболее значительным, в остальных – примерно равным между собой. Для наилучшего представления динамики специфического органического веществ в почве на рис. 4 представлен его сравнительный анализ за 1999–2017 гг. На рисунке видно, что, несмотря на высокий уровень обеспеченности почвы пашни гумусом, его динамика по годам исследования неблагополучная и, вероятно, была обусловлена отсутствием применения органических удобрений.
Рис. 4. Динамика содержания гумуса в почве пашни предприятия за 1999–2017 гг.
Так, за исследуемый период показатель снизился на 0,2 ± 0,05 %, оставаясь в некоторой ремиссии (на уровне 6,8 %) в течение 2003–2009 гг. Содержание гумуса в почвах является ключевым показателем их потенциального плодородия и агроэкологической устойчивости [13] и поэтому, невзирая на достаточно высокий уровень данного показателя, для поддержания оптимального гумусового режима данные почвы необходимо подвергать обработке дозами органических удобрений, оптимальными для нечерноземных почв (в среднем 20–30 т/га однократно за 6–8-летнюю ротацию зерновых и зернобобовых севооборотов).
Одними из наиболее значимых показателей агроэкологического состояния пахотных почв является содержание в них подвижных соединений тяжелых металлов [14, 15]. В рамках настоящей работы было проведено обследование участка по показателям содержания в почвах подвижных форм цинка, кадмия, свинца и меди (табл. 3).
Таблица 3
Показатели содержания подвижных соединений тяжелых металлов в почве агроценоза
|
Показатель |
Значение в точках отбора проб, мг/кг |
M ± m (V) |
ПДК, мг/кг |
||||
|
А1 |
А2 |
А3 |
А4 |
А5 |
|||
|
Содержание цинка (Zn) |
0,0052 |
0,0068 |
0,0050 |
0,0043 |
0,0049 |
0,0052 ± 0,0005 (20) |
23,0 |
|
Содержание кадмия (Cd) |
0,0187 |
0,0196 |
0,0117 |
0,0296 |
0,0481 |
0,0255 ± 0,0037 (37) |
[1,0] |
|
Содержание свинца (Pb) |
0,0192 |
0,0199 |
0,0101 |
0,0295 |
0,0181 |
0,0194 ± 0,0041 (40) |
6,0 |
|
Содержание меди (Cu) |
0,2384 |
0,1904 |
0,4417 |
0,1309 |
0,2321 |
0,2467 ± 0,0310 (54) |
3,0 |
Примечание. ПДК – предельно допустимые концентрации подвижных соединений тяжелых металлов в почвах согласно ГН 2.1.7.2041-06. В квадратных скобках по нормативному содержанию кадмия в средне- и слабокислых глинистых почвах дано ОДК по ГН 2.1.7.2511-09.
По данным таблицы видно наличие определенного уровня в содержании подвижных форм всех рассматриваемых экотоксикантов в почвах с достаточно высокой пространственной вариабельностью всех показателей. Нужно отметить, что не одно из значений не превышало установленные санитарно-экологические нормы. При этом накопление подвижных соединений кадмия и свинца находилось несколько в увеличенном содержании относительно установленных ПДК.
Содержание подвижной меди в почве также не превышало установленных норм, но в целом находилось на относительно приемлемом уровне для агроэкосистемы. Определенный уровень меди в пахотных почвах необходим, поскольку его соединения входят в группу микроэлементов питания сельскохозяйственных культур.
Наиболее оптимальное накопление в почвах данного микроэлемента лежит в диапазоне 0,21–0,50 мг/кг почвы [12], извлекаемое ацетатно-аммонийным буферным раствором (рН 4,8). В связи с этим констатируется средняя обеспеченность всего участка подвижной медью с некоторыми вариациями в точках А2 и А4.
Заключение
В результате проведенного исследования агрохимического состояния пахотного угодья ООО «Агрофирма «Сеченовская» Сеченовского района Нижегородской области была установлена очень высокая его обеспеченность обменными основаниями, содержанием гумуса и подвижными соединениями фосфора. Агроэкологическая характеристика почвенного покрова исследуемого участка предприятия оптимальна за счет невысокого содержания подвижных форм тяжелых металлов и непревышения установленных санитарно-экологических норм.
Многолетняя динамика рассматриваемых свойств почвы показала некоторые нисходящие тенденции по годам исследования, но в целом характеризует почвы как почвы с оптимальным для изучаемой территории плодородием.
Библиографическая ссылка
Козлов А.В., Уромова И.П. ОЦЕНКА АГРОЭКОЛОГИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ЧЕРНОЗЕМА ОПОДЗОЛЕННОГО В УСЛОВИЯХ АГРОЭКОСИСТЕМЫ ЮГА НИЖЕГОРОДСКОЙ ОБЛАСТИ // Успехи современного естествознания. – 2018. – № 12-1. – С. 63-69;URL: https://natural-sciences.ru/ru/article/view?id=36975 (дата обращения: 19.04.2024).