НАСТОЯЩЕЕ И БУДУЩЕЕ САМОЙ ПЛОДОРОДНОЙ ПОЧВЫ

Актуальные публикации по вопросам экологии и природопользования.

NEW ЭКОЛОГИЯ


ЭКОЛОГИЯ: новые материалы (2024)

Меню для авторов

ЭКОЛОГИЯ: экспорт материалов
Скачать бесплатно! Научная работа на тему НАСТОЯЩЕЕ И БУДУЩЕЕ САМОЙ ПЛОДОРОДНОЙ ПОЧВЫ. Аудитория: ученые, педагоги, деятели науки, работники образования, студенты (18-50). Minsk, Belarus. Research paper. Agreement.

Полезные ссылки

BIBLIOTEKA.BY Беларусь - аэрофотосъемка HIT.BY! Звёздная жизнь


Автор(ы):
Публикатор:

Опубликовано в библиотеке: 2022-10-21
Источник: Наука в России, № 1, 31 января 2013 Страницы 23-30

Доктор биологических наук Андрей СМАГИН, профессор факультета почвоведения Московского государственного университета им. М. В. Ломоносова, заведующий лабораторией управления круговоротом вещества и потоками энергии в педосфере Института экологического почвоведения МГУ

В степях и лесостепях Евразии, в прериях Северной Америки и некоторых других регионах мира распространены уникальные почвы, обладающие сверхмощными гумусовыми горизонтами. Это - черноземы, общепризнанный эталон плодородия. Сегодня они составляют более 15% обрабатываемых человеком земель, хотя утратили почти треть своего органического вещества по сравнению с уровнем XIX в. В чем причины такой деградации и можно ли переломить опасную тенденцию?

Черноземы занимают площадь 2,3 - 106 км2, что составляет около 2,5% биологически продуктивных земель земного шара. Их масштабное освоение под производство зерновых культур как на Евразийском, так и на Североамериканском континентах началось, по-видимому, в конце XVIII - начале XIX в. в связи с развитием крепостного помещичьего землевладения в Российской империи и невольничьего плантаторства (фермерства) в США. В настоящее время эти территории распаханы или заняты пастбищами, лишь в заповедниках сохранились небольшие участки первозданной дикой степи (прерии).

Черноземы не случайно признаны вершиной бонитировочной шкалы качества почв: их гумусово-аккумулятивные горизонты, мощностью более 1 м, обладают стабильной зернистой структурой и при этом нейтральной или слабощелочной реакцией среды (рН), емкостью поглощения до 35 - 55 моль/кг, содержанием гумуса свыше 8 - 10% - свойствами, обеспе-

стр. 23

чивающими беспрецедентно высокое плодородие. К сожалению, сегодня мы наблюдаем их повсеместную деградацию: уровень содержания органического вещества, зафиксированный в конце XIX в. великим русским ученым, основателем генетического почвоведения Василием Докучаевым, проведшим фундаментальные исследования и обобщившим полученные результаты в книге "Русский чернозем" (1883), ныне снизился более чем на 30%. Разумеется, эта утрата не прошла бесследно.

ОТ ЦЕЛИНЫ - К АГРАРНЫМ ЭКОСИСТЕМАМ

В начале 1990-х годов доктора сельскохозяйственных наук Наталья Сорокина и Борис Когут из Почвенного института им. В. В. Докучаева провели детальный мониторинг динамики гумусного состояния черноземов с учетом пространственного варьирования и выявили: за 20 лет содержание в них органического углерода статистически достоверно уменьшилось на 0,3 - 0,6%. Это в целом соответствовало сведениям о суммарных потерях этими почвами гумуса в 1 - 3% за предшествующие 70 - 100 лет, опубликованным в 1996 г. докторами Майком Бриджесом из Международного центра информации о почвах (Нидерланды) и Нильсом Батжесом из Университета Вагенинген (Нидерланды). Сегодня метод математического моделирования позволяет уточнить скорость обнаруженного коллегами негативного процесса.

Мы воспользовались оригинальной моделью динамики гумусового профиля черноземов, учитывающей процессы поступления органического вещества из наземных и корневых остатков растений, особенности его "транспортировки" и разрушения (биодеструкции), и проанализировали динамику этих почв на примере наиболее распространенных на территории бывшего СССР и разносторонне изученных зональных подтипов. А именно: черноземов оподзоленных, выщелоченных, типичных (они приурочены к северной, центральной и южной лесостепи) и обыкновенных (распространены в северной части степной зоны).

Итак, обратимся к закономерностям углеродного бюджета интересующих нас почв и в первую очередь оценим размеры поступления в них гумифицированного углерода (С) из растительности. Мы воспользовались результатами стационарных исследований круговорота этого элемента в обыкновенных черноземах заповедной степи, разнотравно-типчакового пастбища и агроценоза озимой пшеницы. Что же оказалось? Доля новообразованных гумусовых веществ под естественными травянистыми сообществами не превышает 4,3 - 4,9% от поступивших за год растительных остатков. Близкий результат - 0,6 - 4,7% - получили в опыте 1998 г. доктор биологических наук Дмитрий Орлов и Ольга Бирюкова с факультета почвоведения МГУ им. М. В. Ломоносова. Используя верхнюю границу данного диапазона (4,7%) в качестве характерной величины, мы провели расчеты и установили: в

стр. 24

Поступление гумусовых веществ из растительных остатков в разных типах черноземов:

1 - из корней,

2 - из наземных частей растений,

3 - общее поступление,

4 - использованные при моделировании значения;

Нt Hd, - шкалы измерения общего (t) и дифференцированного по источникам (d) поступления органических веществ.

направлении с юга на север (т.е. от обыкновенных к оподзоленным черноземам) значительно увеличивается поступление гумуса из наземного опада и несколько снижается мощность "корневого источника".

Далее мы предложили модель формирования черноземов, имитирующую аккумуляцию и распределение гумуса при развитии почвы из материнской породы до современного целинного ее варианта на заповедных степных и лесостепных участках. Разумеется, эти построения справедливы только для классической, естественно-наземной концепции происхождения "царя почв"*, впервые сформулированной в 1763 г. великим русским естествоиспытателем Михаилом Ломоносовым, а позже поддержанной ботаником, академиком Петербургской АН с 1853 г. Францом Рупрехтом (1866) и доработанной Василием Докучаевым. Наше исследование показало: на формирование чернозема, сопровождающееся проникновением органического вещества до глубины 1,5 м и ниже, требуется не менее 2 - 3 тыс. лет! И лишь тогда его профиль приходит в равновесное (стационарное) состояние, т.е. процессы поступления, перераспределения и деструкции органики сбалансированы. Причем половина накопленного гумуса образуется за период порядка 500 - 1000 лет, что соответствует данным радиоуглеродной датировки.

Итак, лучшие почвы мира формировались в течение нескольких тысячелетий, уступая по темпам аккумуляции и запасам органического углерода только болотным экосистемам. Быстрее всего развивается гумусовый профиль у выщелоченных и оподзоленных черноземов, распространенных в лесостепи, где очень высока биопродуктивность, а значит ежегодно в поверхностный слой поступает много растительных остатков - концентрация гумуса за период около 100 лет достигает здесь 40 - 60 кг/м3. У обыкновенных и типичных подтипов показатель скромнее - около 20 кг/м3. По этим цифрам можно судить об эффективности использования травопольных севооборотов или выведения земель из сельскохозяйственного оборота (залежь) для восстановления истощенного "царя почв".

Получив расчетные данные для естественных экосистем, мы моделировали деградацию исследуемых почв при вовлечении их в сельскохозяйственное производство. И пришли к заключению: на обыкновенных черноземах общая биопродуктивность агроценоза озимой пшеницы более чем в 6 раз ниже по сравнению с растительностью заповедной степи и втрое меньше, чем у разнотравно-типчакового пастбища. Соответственно, при распашке целины и выращивании пшеницы количество ежегодно образующегося гумуса уменьшается примерно втрое, а мощность "корневого источника" - в 3,7 раз. Аналогичные результаты в ходе многочисленных натурных экспериментов получил доктор биологических наук Валерий Кирюшин из Российского государственного аграрного университета им. К. А. Тимирязева - по его


* Василий Докучаев назвал черноземы "царем почв" и обосновал естественно-наземную гипотезу их происхождения. Согласно ей, черноземы сформировались в результате тесного взаимодействия травянистой растительности, климата, рельефа местности, материнской породы и других факторов почвообразования (прим. ред.).

стр. 25

Моделирование формирования черноземных почв в естественных условиях степи и лесостепи. Подтипы черноземов:

А - обыкновенные,

В - типичные,

С - выщелоченные,

D - оподзоленные.

данным, при возделывании зерновых культур поступление растительных остатков в почву снижается в 3 - 6 раз по сравнению с целинным вариантом. Анализ имеющихся материалов и соответствующие расчеты позволяют сделать вывод: после освоения черноземов (независимо от подтипа) темпы поступления гумусовых веществ в их профиль снижаются в среднем в 4 раза.

БЫСТРОЕ ОБНИЩАНИЕ "ЦАРЯ ПОЧВ"

Далее мы рассчитали динамику гумусовых профилей черноземов, вовлеченных в сельскохозяйственное производство до момента их равновесного (или стационарного) состояния, соответствующего четырехкратному уменьшению притока органического вещества, и получили прогноз их антропогенной деградации. Согласно ему, существенное снижение концентрации органического углерода в верхних горизонтах почвы (от 17 - 30 кгС/м3 в обыкновенных и типичных и до 40 - 50 кгС/м3 в оподзоленных и выщелоченных подтипах) наблюдается уже через 100 - 200 лет после начала ее эксплуатации. Если же представить означенные потери в относительных единицах, то картина такова: в обыкновенных и типичных черноземах содержание гумуса падает на 20 - 30% от исходного уровня, в оподзоленных и выщелоченных - на 40 - 60% и более.

Приведенные расчетные оценки близки к экспериментальным данным многих исследователей: в Курской области черноземы типичные за 60 лет их использования под пашню потеряли 20 - 30% гумуса, южные и обыкновенные черноземы Зауралья, Сибири и Казахстана за несколько десятков лет утратили 10 - 20%, а оподзоленные и выщелоченные - 30 - 40% органического вещества. Та же ситуация наблюдается и у лугово-черноземных почв Северной Дакоты - 20 - 40% потерь за 40 - 70 лет, и у черноземных и каштановых почв канадских прерий, вовлеченных в сельское хозяйство с зернопаровыми севооборотами, - 50 - 60% гумуса утрачено за 60 - 70 лет.

Получается, что реальный уровень деградации иногда даже превышает наши расчетные величины; это, вероятнее всего, объясняется действием эрозии, а также периодическим использованием чистых паров, когда поступление растительных остатков в почву фактически прекращается. Приведем еще данные. Григорий Буяновский с коллегами (Миссурийский университет, Колумбия) установили, что пахотные почвы под пшеницей на участке Санборн Филд* (Средний Запад, США) утратили 50 - 60% гумуса за период с 1888 по 1986 г. В упомянутом выше обзоре Бриджеса и Баджеса говорится о снижении этого показателя в черноземовидных пахотных почвах


* Sanborn Field - длительный полевой опыт, начатый и 1888 г. (прим. авт.).

стр. 26

Австралии на 40 - 50%. Причем зарубежные авторы, анализируя многолетние тренды динамики органического вещества в пахотном слое вовлеченных в сельскохозяйственный оборот целинных почв, подобно нам приходят к выводу о достижении ими за 50 - 70 лет нового равновесного состояния.

Согласно результатам моделировании, "царь почв" беднеет на 30 - 85 т/га органического вещества за 100 - 200 лет эксплуатации, причем темпы деградации со временем снижаются. То же наблюдают ученые в ходе многолетних экспериментов: по данным Кирюшина, чернозем южный утрачивает в первое десятилетие около 100 г/м2 гумуса в год, во второе - 50 г/м2/год, в третье - 40 г/м2/год, а в последующие 30 лет скорость его "обнищания" постоянна и равна 30 г/м2/год. В итоге многие исследователи приходят к выводу о формировании нового устойчивого состояния этих почв, соответствующего менее интенсивному поступлению органических веществ. Однако это широко распространенное сегодня суждение неверно и вот почему.

Как показывают численные эксперименты, со временем деградация затрагивает все более глубокие слои чернозема: максимальное содержание органического вещества в его профиле смещается с отметок 5 - 10 на 40 см. Причем после 100 - 200 лет эксплуатации стабилизация потерь гумуса, на которую рассчитывают многие современные агрономы, не наступает. Ведь для этого должен сложиться новый баланс интенсивности поступления, деструкции и перемещения (транслокации) органических веществ. Четырехкратное снижение их притока, характерное для агроценозов, приведет к формированию нового стационарного гумусового профиля лишь через 3000 лет. Однако этот вариант вряд ли можно будет классифицировать как чернозем.

Концентрация органического вещества в корнеобитаемой толще такого трансформированного чернозема уменьшится с 70 - 80 кг/м3 до 15 - 20 кг/м3. Общие запасы органики снизятся в 3,7 - 4,3 раза и не превысят 13 - 18 кг/м2, тогда как "царь почв" располагает 50 - 64 кг/м2. Окончательные потери гумуса при переходе к его новому стационарному состоянию достигнут 70 - 78% от исходных "целинных" запасов. Что это означает? У нас на глазах постепенно, но неуклонно исчезает одно из главных богатств планеты, обеспечивающее продовольственную безопасность, здоровье и благосостояние населения. Остановить опасный процесс можно только при переходе на альтернативные системы земледелия, предусматривающие наряду с получением высоких урожаев технологии восстановления почвы, воспроизводства этого ценного ресурса.

УСТОЙЧИВОЕ РАЗВИТИЕ ЧЕРНОЗЕМА

Почему же столь опасно истощение запасов гумуса? Дело в том, что структура - поглотительная и водоудерживающая способность почв - чрезвычайно важна для их плодородия, напрямую связана с органическим веществом. Потери его ведут к сниже-

стр. 27

Моделирование агродеградации черноземных почв при их вовлечении в сельскохозяйственный оборот. Подтипы черноземов:

А - обыкновенные,

В - типичные,

С - выщелоченные,

D - оподзоленные.

нию емкости катионного обмена, а вместе с ней - фонда биофильных элементов, формирующих урожай. Еще опаснее для почв степной зоны снижение их водоудерживающей способности, которая тоже на 50 - 80% формируется за счет органических компонентов твердой фазы. При интенсивном использовании природный чернозем вместе с гумусом теряет до 150 - 200 мм влаги, продуктивной для растений. А для ее компенсации нужны поливы, что, в свою очередь, ведет к дополнительным затратам.

Если не поддерживать углеродный бюджет* черноземов, то они образуют территорию рискованного земледелия и тогда внесение минеральных удобрений, пестицидов, стимуляторов роста и другие интенсивные технологии повышения урожайности будут неэффективны.

Перечислим основополагающие принципы организации природных экосистем: баланс продуктивности и устойчивости, автономность, высокое биоразнообразие, гарантирующее функциональную взаимозаменяемость отдельных компонентов. В отличие от промышленности агропроизводство, основанное на естественных процессах синтеза органической массы, может приблизиться к схеме полного круговорота веществ и утилизации отходов. Но погоня за урожайностью с помощью высоких доз химикатов и тому подобных средств чаще всего ведет к потере устойчивости сложных нелинейных систем, каковыми являются почвы и биогеоценозы, к их функционированию в колебательных, хаотических режимах с чередой то высоких, то низких показателей продуктивности.

В доиндустриальную эпоху, когда фактически отсутствовали химические минеральные удобрения и средства механизированной обработки почв, в любом хозяйстве производство зерна сочеталось с содержанием лошадей, тяглового, крупного рогатого и мелкого скота, птицы и др. В результате часть черноземных земель постоянно (естественные степи, луга), долгосрочно (залежь) или кратковременно (поздний пар, толока) отводили под кормовую базу для животных. Это обеспечивало частичное восстановление углеродного бюджета после изъятия товарной продукции полеводства. К тому же преобладающим, если не единственным средством восстановления плодородия тогда было удобрение в виде навоза. Этот отход животноводства в сочетании с залежью и перелогом обеспечивал близкий к бездефицитному бюджет углерода и стабильность гумусового состояния черноземов.

Отказ от "малоэффективной" органической системы земледелия, резкое сокращение поголовья лошадей, тяглового скота в связи с переходом на механи-


* См.: И. Курганова, В. Кудеярон. Экосистемы России и глобальный бюджет углерода. - Наука в России, 2012, N 5 (прим. ред.).

стр. 28

Моделирование динамики запасов гумуса и темпов его разложения при агродеградации черноземных почв. Подтипы черноземов:

А - обыкновенные,

В - типичные,

С - выщелоченные,

D - оподзоленные.

ческую обработку почвы, замена навоза химикатами в XX в. собственно и привели к катастрофически быстрому падению содержания гумуса в черноземах. И наши расчеты показывают, что это лишь начало тотальной агродеградации.

Теперь поговорим о водном режиме современных черноземов. О кардинальных его изменениях в результате распашки степей писал еще Докучаев, обосновывая в фундаментальных трудах "Русский чернозем", "Наши степи прежде и теперь" комплексную систему устойчивого земледелия этих территорий. Фактически она была реализована в СССР в трудные с экономической точки зрения послевоенные годы. Мощным средством регуляции водного режима, снегозадержания и защиты полей от эрозии тогда служили лесополосы разных порядков и набора наиболее устойчивых древесно-кустарниковых культур. Срок жизни древостоя в условиях периодического дефицита влаги редко превышает 60 - 70 лет, поэтому большинство лесополос послевоенной посадки к настоящему времени находится в плачевном состоянии и их восстановление - одна из насущных задач для агрохозяйств черноземной зоны. Для данной цели могут быть посажены и плодовые деревья, что принесет дополнительную пользу хозяйству. Понижения, ложбины стока, берега малых рек - все эти критические позиции агроландшафта должны быть облесены в обязательном порядке, что позволит сохранить степные реки от заиления и загрязнения, а прилегающие к ним участки от эрозии. С этой точкой зрения согласны многие специалисты - например, доктор биологических наук Иван Белюченко из Кубанского государственного аграрного университета.

Мы полагаем также, что наряду с восстановлением полезащитных лесополос целесообразно ряд земель отвести под естественную степную растительность с ее уникальным биоразнообразием. Причем подобные участки в идеале должны образовывать длинные степные коридоры, связывающие разные хозяйства. В них будут обитать представители естественной флоры и фауны, но не в заповедном режиме, а на фоне умеренно-эксплуатируемых пастбищ. Границы таких резерватов можно время от времени сдвигать в связи с периодической распашкой части восстановившихся земель и введением под залежь адекватных соседних площадей, но сохраняя непрерывность коридора. Тогда по прошествии рядового севооборота (например, раз в 6 - 7 лет) поле следует изымать под залежь для поддержания плодородия и биоразнообразия, вытеснения сорной растительности, ликвидации почвоутомления в течение адекватного срока естественной сукцессии.

Возможно, подобный подход решит и давний спор специалистов о формах обработки почв. Так, мелкая

стр. 29

распашка подходит для полей, относительно чистых от сорняков и вредителей растений, с потенциально высоким плодородием, включая хорошую (зернистую) почвенную структуру и водоудерживающую способность. Применима эта технология и в фумигантном (гербицидном, пестицидном) земледелии. При подъеме же целины, залежи, борьбе с сорняками, восстановлении рыхлого сложения и влагоемкости корнеобитаемой толщи требуется глубокая обработка (до 20 - 25см) с заделкой дернины (травяного пласта) и удобрений. Значит, при предложенной выше ротации земель с формированием экологических коридоров, а также на разных стадиях севооборота следует сочетать глубокую обработку с мелкой. Последняя, естественно, выгодна и эффективна для почв с восстановленным и углеродным бюджетом и структурой, находящихся под зерновыми культурами.

Концепция устойчивости экосистем входит в известное противоречие с агропроизводственными требованиями выращивания монокультурной растительности. Следовательно, для современного земледелия необходим расширенный севооборот с чередованием различных видов, а также улучшающих почву восстановительных посевов (клиньев) в виде многолетних трав, клевера, эспарцета, сидеральных паров. Наряду с залежами, лесополосами, степными коридорами эти меры будут поддерживать высокое биоразнообразие агроландшафтов, а также обеспечивать кормовую базу для животноводства.

КАК ВОСПОЛНИТЬ ПОТЕРИ ГУМУСА?

Утилизация отходов животноводства может происходить двумя основными способами. Во-первых, непосредственное внесение навоза вместе с пожнивными остатками в почву. Правда, возникают проблемы, связанные с организационными затратами, транспортными и топливными расходами при вывозе на поля больших рабочих доз (от 50 т/га) этого традиционного органического удобрения. Помимо того значительная часть содержащихся в нем полезных веществ, и в первую очередь азот, при его разложении теряются безвозвратно. Более технологичным, на наш взгляд, является предварительное компостирование навоза с обогащающими минеральными добавками как обычным способом (бурты, компостные ямы), так и в специальных ферментационно-компостных агрегатах с механическим перемешиванием, увлажнением и вентиляцией. Перспективна акселерация компостирования с использованием специальных форм микроорганизмов "компостных дрожжей" и вермикультуры.

Согласно нашим расчетам по приведенной выше модели, для восстановления ежегодных гумусовых потерь в черноземах вполне достаточно всего 20 - 30 г С/м2 или около 40 - 60 г перегноя (компоста). Эта цифра эквивалентна 0,4 - 0,6 т/га и на два порядка ниже, чем соответствующая норма навоза (50т/ га), из которого в свежегумусовые вещества перейдет не более 3 - 5% органического углерода. И по прошествии 2 - 3 лет в почве останется не более 10% этого отхода животноводства.

Создание органоминеральных компостов на основе навоза может иметь еще одну важную для региона цель - утилизацию отходов химического производства. Удачным примером подобной технологии является предложенный коллективом кафедры общей биологии и экологии Кубанского государственного аграрного университета под руководством Белюченко и внедренный в передовом хозяйстве ООО "Заветы Ильича" Ленинградского района Краснодарского края способ производства таких удобрений на основе фосфогипса. Кислая реакция последнего, наличие в его составе ценных биофильных элементов, ряд физико-химических характеристик, асептические и иные свойства обусловливают высокую ценность этой минеральной добавки для компостирования. Частичное подкисление черноземных почв ведет к мобилизации питательных веществ, улучшению структурного состояния, повышению биологической активности, а в итоге - росту общей урожайности и качества растительной продукции.

Вместе с тем существует ряд задач, требующих детальной научной проработки. В первую очередь, это точное дозирование фосфогипса с учетом содержания в нем неизбежных вредных примесей - мышьяка, стронция, цинка и иных тяжелых металлов, являющихся микроэлементами в малых концентрациях, но опасными загрязнителями почв при избытке. То же можно сказать и об удобрениях, содержащих указанные компоненты.

Оценивать качество применяемых удобрений и дозировать их нужно с учетом фонового содержания загрязнителей, способности почвы препятствовать изменению реакции среды (буферности) и процессов ее естественного самоочищения. Заметим, черноземы обладают двумя естественными системами защиты от попадающих в них ионов тяжелых металлов: верхним, гумусовым барьером и нижним, карбонатным "экраном". Эффективность последнего может снизиться в связи с подкислением почвы при внесении фосфогипса и органоминеральных компостов на его основе.

Словом, использование упомянутых удобрений, как и любое воздействие на почву, должно быть строго регламентировано на научной основе в виде прогнозных моделей поведения вносимых веществ, эффектов от их воздействия, а также современной системы нормативов качества почв, их экологического состояния.

Иллюстрации предоставлены автором


Новые статьи на library.by:
ЭКОЛОГИЯ:
Комментируем публикацию: НАСТОЯЩЕЕ И БУДУЩЕЕ САМОЙ ПЛОДОРОДНОЙ ПОЧВЫ

© Андрей СМАГИН () Источник: Наука в России, № 1, 31 января 2013 Страницы 23-30

Искать похожие?

LIBRARY.BY+ЛибмонстрЯндексGoogle
подняться наверх ↑

ПАРТНЁРЫ БИБЛИОТЕКИ рекомендуем!

подняться наверх ↑

ОБРАТНО В РУБРИКУ?

ЭКОЛОГИЯ НА LIBRARY.BY

Уважаемый читатель! Подписывайтесь на LIBRARY.BY в VKновости, VKтрансляция и Одноклассниках, чтобы быстро узнавать о событиях онлайн библиотеки.