Применение минеральных удобрений является одним из важных факторов повышения урожая сельскохозяйственных культур, плодородия почв, оптимизации состояния экологической системы. Однако, для повышения эффективности их применения и обеспечения экологической безопасности систем земледелия и систем применения удобрений необходим учет взаимодействия удобрений и мелиорантов с почвами. Это необходимо как при усилении химизации сельскохозяйственного производства, когда в значительной степени усложняются взаимосвязи в почве и в системе почва-растение, так и при недостаточном внесении минеральных удобрений, когда все большее значение приобретает эффективность использования запасов питательных веществ, имеющихся в почве.
В последние годы в практической деятельности при расчете взаимодействия удобрений и мелиорантов с почвой появились следующие нерешенные вопросы: 1) в ряде случаев внесение минеральных удобрений в почву в определенных пределах не вызывает увеличения количества их водорастворимых и наиболее подвижных форм- 2) выращивание сельскохозяйственных культур без внесения удобрений не вызывает уменьшения аналитически определяемого количества подвижных форм элементов питания (протекание указанных процессов обусловлено буферными свойствами, характерными для отдельных типов почв) — 3) при несбалансированном применении минеральных удобрений в ряде случаев возникает их скрытое отрицательное действие. Изучению этих вопросов и посвящена выполненная работа.
Целью исследования являлось решение теоретических вопросов взаимодействия минеральных удобрений с изученными дерново-подзолистыми почвами. В задачи исследования входило выяснение следующих практических вопросов: 1) почему в ряде случаев внесение минеральных удобрений в почву не вызывает увеличения количества их водо-растворимых и подвижных форм- 2) почему выращивание сельскохозяйственных культур без внесения удобрений в ряде случаев не вызывает уменьшения практически определяемого количества подвижных форм элементов питания- 3) каковы закономерности изменения буферных свойств почв в отношении КРК в зависимости от степени окультуренности почв, их удобренности, эродированности, оглеенности, доз удобрений и их форм- 4) каковы закономерности проявления на исследуемых почвах скрытого отрицательного действия удобрений, проявляющегося в ухудшении агрономических свойств почв.
В работе показано изменение химических и физико-химических свойств дерново-подзолистых почв при внесении в них разных форм и доз минеральных удобрений. Показаны негативные изменения свойств исследуемых почв, которые могут возникать при несбалансированном применении удобрений (по данным микрополевых опытов, модельных экспериментов, статистической обработке данных почвенно-агрохимической службы). Для исследуемых почв определены их буферные свойства в отношении элементов питания, способность почв к поддержанию концентрации ионов в почвенном растворе при их отчуждении с урожаем. Установлены закономерности буферных свойств почв, проявления скрытого отрицательного действия удобрений для почв разной степени удобренности, окультуренности, эродированности.
Практическая значимость работы заключается в получении новых данных о буферных свойствах дерново-подзолистых почв к 1МРК для разных форм и доз удобрений, которые целесообразно использовать при корректировке систем удобрений. Предлагается алгоритм расчета взаимосвязей между физико-химическими и агрохимическими свойствами почв для отдельных хозяйств и полей, по данным анализов агрохимической службы и почвенных исследований, позволяющий прогнозировать возникновение неблагоприятных изменений свойств почв при химизации.
Основные положения, выносимые на защиту.
1. Предлагается выделять обменную емкость почв к элементам питания удобрений и полезную емкость, определяемую как количество элементов питания, которое может поглотить почва без ухудшения ее свойств. В работе предлагается методика определения буферных свойств почв к элементам питания по данным компостирования почв с разными дозами минеральных удобрений в модельных и полевых условиях.
Буферность оценивается количеством И, Р2О5, К20 определенных форм удобрений мг/100 г или кг/га, необходимым для изменения водорастворимых и подвижных форм азота, фосфора и калия на 1 мг/100 г почв. Знание данного параметра почв необходимо для расчета и создания почв с заданными свойствами. Преимущество такого метода заключается в оценке непосредственно свойств почвы, при исключении возможных влияний климата, технологий и выращиваемых культур.
С нашей точки зрения, буферность может быть рассчитана для конкретных форм удобрений, а не в обобщенном виде для 1чГ, Р, К.
Показано, что буферность почв по отношению к азоту, фосфору и калию зависит от форм и интервалов доз удобрений. Буферность выше в почвах более тяжелого гранулометрического состава, большей степени гумуси-рованности, в открытых системах, чаще в интервалах малых доз удобрений. Она зависит от степени эродированности и оглеенности почв, классификационной принадлежности почв.
2. Доказывается, что концентрация ионов в почвенном растворе, водной вытяжке и в растворах слабых десорбентов определяется в значительной степени не количеством подвижных фракций в твердой фазе почв, а прочностью их связи с твердой фазой (эффективными произведениями растворимости имеющихся осадков, эффективными константами ионного обмена, эффективными константами имеющихся комплексов).
3. Для практических целей необходимо знать, как концентрация ионов в растворах селективных десорбентов, принятых в агрохимической службе и почвенных исследованиях, так и количество подвижных фракций этих ионов в твердой фазе почвы. Последний параметр предлагается называть возобновляющей способностью почв и определять методом последовательного и исчерпывающего элюирования ионов из твердой фазы почв.
В работе предлагается методика определения способности почв к поддержанию концентрации ионов в почвенном растворе при их отчуждении с урожаем. Определение основано на последовательном элюировании ионов из почв водой и 0,2н НС1 объемами до 7,5 л на 100 г почв. Предлагаемый показатель рассчитывается, как количество вытесненного из почвы иона (с учетом концентрации в элюате и объема элюата) до достижения принятой минимальной допустимой концентрации или методом графического интегрирования. Знание данного параметра необходимо для оценки возможной продолжительности выращивания культур на исследуемой почве без внесения удобрений или при внесении только очень малых доз.
Показано, что исследуемая величина выше для почв более тяжелого гранулометрического состава и большей гумусированности, большей окуль-туренности, является характеристическим показателем для отдельных почв (в том числе разной степени гидроморфности, эродированности).
4. Показано, что при высоких дозах минеральных удобрений, вблизи гранул удобрений, при несбалансированном применении удобрений возникает негативное действие химизации.
По полученным данным, для исследуемых почв отмечается: 1) подкис-ление среды при внесении сульфата аммония, увеличение при этом подвижных форм железа, марганца, уменьшение гумусированности- 2) диспергирование органической и минеральной части при содержании калия более 5% от емкости поглощения катионов, потеря при этом гумуса, уменьшение фильтрации, появление неблагоприятного отношения Са: К- 3) избыточная щелочность почв при высоких дозах СаС03, что сопровождается нарушением отношения Са: К, осаждением Ъл, Си, Мп, Со- 4) зафосфачивание почв, что сопровождается нарушением оптимального отношения ]ЧГ:Р:К, осаждением в виде трудно-растворимых осадков Ъп, Си, №, Мп, Со.
Предлагается оценивать скрытое отрицательное действие удобрений или негативное влияние на почвы химизации по следующим параметрам: а) буферной емкости почв к возникновению негативного действия химизации (для разных видов, доз и форм удобрений и мелиорантов) в кг действующего вещества, которое допустимо вносить до появления в почве негативных агрономических эффектовб) буферности к проявлению скрытого отрицательного действия удобрений и мелиорантов по отдельным показателям ДрН/ДН*- ДА1/ДН± -Л2п/ЛР205 и т. д.- в) интенсивности проявления скрытого отрицательного действия химизации по интенсивности образовавшихся токсичных продуктов мг (мг-экв водо-растворимых форм на 100 г почв) — г) по количеству накопившихся в почве токсикантов, обусловленному скрытым отрицательным действием удобрений (мг-экв/100 г почв подвижных форм) — д) по затратам, необходимым для оптимизации обстановки (например, дозой СаСОз, необходимой для осаждения, нейтрализации подвижных форм железа, марганца алюминия и т. д.).
Показано, что почвы более тяжелого гранулометрического состава, более гумусированнаые обладают большей буферной емкостью к проявлению скрытого отрицательного действия удобрений, но в то же время большим запасом образовавшихся токсичных компонентов, что требует и больших затрат на оптимизацию обстановки.
Результаты исследований докладывались на трех конференциях: «Устойчивость почв к естественным и антропогенным воздействиям», «Эволюция и деградация почвенного покрова», «Создание высокопродуктивных аг-роэкосистем на основе новой парадигмы природопользования». 9.
По материалам диссертации опубликованы 5 работ. Автор благодарит за руководство работой научного руководителя доц. Байбекова Р. Ф. и консультанта проф. Савича В. И., за помощь в выполнении анализов сотрудников лаборатории агрономического почвоведения МСХА и кафедры почвоведения.
II. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ.
ИЗМЕНЕНИЕ СВОЙСТВ ДЕРНОВО-ПОДЗОЛИСТЫХ ПОЧВ ПРИ ПРИМЕНЕНИИ УДОБРЕНИЙ ПЛ. ИЗМЕНЕНИЕ СВОЙСТВ ПОЧВ ПРИ ПРИМЕНЕНИИ.
МИНЕРАЛЬНЫХ УДОБРЕНИЙ В настоящее время сельское хозяйство России переживает не лучшие времена. Державин Л. М. (1997) отмечает, что, в целом. По России применение минеральных удобрений составляет около 12 кг действующего вещества на 1 га пахотных земель, в то время, как в развитых зарубежных странах, 200−350 кг/га и более, а органических удобрений соответственно 0,7 и 15−25 т/га. По данным ЦИНАО, для центрального района Нечерноземной зоны в 1996;1998 г. г. отмечался отрицательный баланс по азоту (-8,5 кг/га), фосфору (-1,5 кг/га), калию (-27,2 кг/га). Данные по интенсивности баланса свидетельствуют о том, что низкий уровень применения удобрений вновь ведет к падению почвенного плодородия. Красницкий В. М. (2000) указывает, что централизованное финансирование работ по окультуриванию земель прекращено. Финансирование осуществляется с 1993 г. из оплаты налога на землю и 30% за счет землепользователя. Из-за отсутствия средств, все комплексные мероприятия по окультуриванию прекращены.
В то же время, для получения высоких и стабильных урожаев расход азота и калия должен компенсироваться на 100%, а приходные статьи по фосфору должны превышать расходные в1,5−2 раза (Сычев В.Г., 2000). Однако, по результатам типологического моделирования, Углов В. А. (1998) пришел к выводу, что при сохранении современных тенденций человечество ожидает деградационный кризис. В земледелии нарушаются основные законы — закон возврата и закон оптимального баланса. Появившиеся в последние годы новые формы и виды антропогенного воздействия могут в значительной степени углубить и расширить деградацию почвенного покрова (Ха-биров И.К. и др., 2001).
Милашенко Н.З. (2000) отмечает, что «вывод сельского хозяйства России из глубокого кризиса — комплексная проблема. Чтобы эффективно использовать кредиты, выделенные для сельского хозяйства, необходимо тщательно прорабатывать ведение хозяйства на уровне, отвечающем требованиям инвестиционных проектов. Эти проекты должны иметь систему воспроизводства и повышения плодородия почв, как базу для эффективного применения ресурсосберегающих технологий возделывания сельскохозяйственных культур». Согласно обобщению ЦИНАО, низкая окупаемость удобрений в Нечерноземной зоне связана, с одной стороны, с неблагоприятными почвен-но-климатическими условиями, с другой стороны, с низкой культурой земледелия (Сычев В.Г., 2000).
С ростом химизации в почву попадает все большее количество ионов и соединений, высокое содержание которых не было для нее характерным (Ка-бата-Пендиас, 1989; Агроэкология, 2000). Взаимосвязи между свойствами почв усложняются, содержание ряда элементов достигает порогового, токсичного уровня, проявляется скрытое отрицательное действие удобрений (Петербургский A.B., 1963). В таких условиях, для получения планируемого урожая необходимо создавать почвы с заданными свойствами. Причем, естественно, что величина оптимальных задаваемых свойств будет неодинакова в зависимости от типа почв, гидротермических условий, вида и планируемого урожая с/х культур. Грамотная оценка взаимодействия удобрений и мелиорантов с почвой позволяет найти эффективные пути их использования, избежать негативного воздействия на почву и растения (Беспалов Г. П., 1985; Башкин В. Н., 1993; Гузеев B.C., 1968; Дерюгин И. П., 1978; Ирьянова И. М., 1990; Изменение агрофизических свойств, 1990; Лыков A.M., 1982; Почвы Московской области, 1974; 2002).
Очевидно, что для выяснения влияния вносимых в почву солей на состав растений необходимо знать, как меняется при этом состав почвенного раствора и как это, в свою очередь, влияет на механизм поглощения иона растениями (Най П.Х., Тинкер П.Б.). В условиях грамотного применения минеральных удобрений отмечается высокая их эффективность. Так, в опыте ЦОС ВИУА в Московской области (длительностью 20 лет) при использовании органоминеральной системы удобрений (в среднем за год 12,5 г/га навоза и ЫшРтбКпб) среднегодовая продуктивность составила 50 ц/га зерновых единиц, а оплата 1 кг удобрений — 6 кг зерновых единиц (Милашенко Н.З., 2000).
Как установлено Босак В. Н. (2001), на хорошо окультуренных дерново-подзолистых легкосуглинистых почвах Белоруссии при содержании Р2О5 и К20 200−300 мг/кг почвы для получения продуктивности севооборота 81 ц/га к.ед. необходимо внесение К72Р5оК56 на фоне 8 т/га органических удобрений. Такой уровень удобрений обеспечивал окупаемость 1 кг N — 16,3 к.ед. и 1 кг КРК — 7,7 к.ед. при сохранении содержания Р205 и К20 в почве.
При недостатке удобрений и достаточно высоких ценах на них большое значение имеет разработка приемов наиболее рационального их использованияповышения эффективности использования (Прянишников Д.Н., 1963; Романенко Т. А., 1996, 98- Хлыстовский А. Д., 1983). Эти задачи не могут быть решены без прогноза взаимодействия удобрений и мелиорантов с различными типами почв, без оценки буферных свойств почв, по отношению к элементам питания, без оценки оптимума свойств для отдельных типов почв, условий местоположения, определенного уровня интенсификации производства и конкретных культур.
Оптимальные свойства почв.
Получение высоких урожаев с/х культур хорошего качества при сохранении экологической безопасности земледелия возможно при соответствии параметров почв модели плодородия для конкретных условий ведения сельскохозяйственного производства (Булгаков Д.С., 1992; Державин Л. М., 1992). При этом под моделью плодородия почв понимается оптимальное сочетание свойств, процессов и режимов почв, обеспечивающих получение высоких урожаев хорошего качества при соблюдении экономической целесообразности и экологической безопасности.
Для достижения моделей плодородия почв большое значение имеет процесс окультуривания почв. Под окультуриванием почвы понимают преобразование ее свойств в соответствии с агроэкологическими требованиями конкретной культуры или группы культур. Окультуривание связано с созданием качественно нового типа биологического круговорота веществ с более высокой емкостью и интенсивностью. В такой редакции данное понятие распространяется на почвы, свойства которых существенно отличаются от оптимальных в указанном смысле. Окультуривание почв сопровождается значительными изменениями их свойств, процессов и режимов. Это приводит к нарушению связей в экологических системах и к деградации отдельных компонентов экосистем (Добровольский Г. В., 1985; Жуков Ю. П., 1983, 89- Жу-ченко А.Л., 1988, 1990).
Как указывает Булаткин Г. А. (1990, 1998), переводя экосистему в агро-экосистему, мы переводим ее на другой более высокий энергетический уровень, т.к. величина потока энергии, проходящего через систему, возрастает. К потоку естественной энергии добавляется поток энергии антропогенной. По мнению автора, именно эта добавленная энергия является причиной деградации почвенного покрова. Однако, на долю энергии, поступающей в почву, от массы сельскохозяйственной техники приходится до 90% всего потока и только 4% поступает с минеральными удобрениями. Происходящие в почвах изменения оказывают существенное влияние на рельеф, состояние водной и воздушной среды, растительного покрова, что обусловлено как очень большой длительностью воздействия, так и значительными площадями пахотных почв.
В связи с тем, что любая система имеет определенный предел воздействий, который она может выдержать, существуют пределы окультуривания почв, допустимые с экологической точки зрения (Реймерс Н.Ф., 1994; Переуплотнение, 1987; Природно-техногенные воздействия, 2002). Для каждой почвенно-климатической зоны, условий рельефа и почвенного покрова существуют допустимые пределы распашки территории (20−60%). Для каждой конкретной ситуации существует допустимый предел повышения урожайности сельскохозяйственных культур, т.к. повышение урожайности связано с увеличением доз удобрений, мелиорантов, ядохимикатов, которые, конечно, не могут быть безграничны. Согласно взглядам Хазиева Ф. Х. (1998), устойчивость почвы в агроэкосистеме достигается при соблюдении запретов на все формы использования земли, которые вызывают ее деградацию. При этом, одним из важных требований равновесия является недопустимость нарушения геохимических циклов (Агроэкологические группировки, 1995; Ананьева Н. Д., 1994; Володин В. М., 1999; Гришина Л. А., 1986, 1999; Фрид A.C., 1998; Хитров Н. Б., 1998).
Повышение урожайности связано с оптимизацией свойств почв и, в частности, с увеличением гумусированности, а значит, с увеличением выделений в атмосферу углекислого газа, соединений азота и т. д. Так, например, содержание гумуса в дерново-подзолистых почвах составляет 2−3%, на огородах — до 7−10%, а на дачных участках, под отдельными цветочными культурами — до 30%. Достаточное, для развития полевых культур, содержание подвижного фосфора и калия в этих почвах составляет 15−20 мг/100 г, а под овощные культуры уже до 50−100 мг/100 г, в парниках это оптимальное содержание доходит до 500−700 мг/100 г.
Очевидно, что при создании на всей территории парниковых почв или даже почв огородов, экологическая обстановка резко ухудшится. Развитие на полях сельскохозяйственных культур сопровождается резким уменьшением биоразнообразия растительного и животного мира, микробиологической активности. Так. На естественных лугах может быть 100 видов растений, а на поле добиваются развития одного вида. В компостах присутствует до 2000 видов бактерий и не менее 50 видов грибов, а в почвах рисовых полей, орошаемых в течение 100−200 лет, может быть всего 5 видов бактерий. Целенаправленное изменение свойств почв приводит к существенному изменению экологических ниш, трофических связей (Левин C.B., Марфенина О. Е., 1991; Гузеев B.C., 1968). При коренном изменении свойств почв все эти изменения могут быть необратимы. Все вышеизложенное свидетельствует о большой значимости экологической оценки окультуривания почв (Козловский Ф.И., 1998; Кулаковская Т. Н., 1978).
Окультуривание почв является одним из факторов почвообразования и существенно изменяет не только свойства почв, но также протекающие процессы и режимы. При интенсивном ведении сельскохозяйственного производства с окультуриванием почва приобретает интразональные черты. Например, на огородах и в северных, и в южных районах гумуса до 5−10%- СпоСфк — 1,5−2,5- рН=6,0−7,0- емкость поглощения катионов составляет более 30 мг-экв/100 г почв и т. д. Чем меньше окультурена почва, тем больше зональных особенностей она сохраняет. Но даже очень хорошо окультуренные почвы несут на себе черты зональности. Например, зональные почвы северных регионов все-таки не имеют рН более 8,0- не содержат в почвенном профиле водо-растворимых солей и т. д. (Семенов В.А., 1980; Шишов Л. Л., 1991; Смеян И. И., 1980).
Почва находится в равновесии с окружающей средой. Все приемы окультуривания направлены на изменение этого равновесия с целью получения почв, нужных для определенной человеческой деятельности (в случае пахотных почв для получения высоких урожаев). Вновь создаваемые почвы являются менее устойчивыми (Ларионов Г. А., 1993; Лопырев А. И., 1989), и, чем в большей степени изменены свойства почв по отношению к исходным, тем в большей степени неравновесное состояние возникает. Поэтому все процессы окультуривания обратимы. В дерново-подзолистых почвах, в результате известкования, изменяют рН до 5,5−6,0, однако, через 5−7 лет величина рН снова возвращается к исходному состоянию (рН=4,5−5,0). В огородных почвах содержание гумуса повышают до 5−7%, а отношение Сгк>СФК составляет 1,5−2,0. Однако, после прекращения такого интенсивного окультуривания, под залежью содержание гумуса опускается до 2−3%, при отношении Сгк^Сфк = 0,7.
При интенсивной химизации следует четко поставить вопрос о том, что оптимальные параметры свойств почв будут неодинаковы в разных почвен-но-климатических зонах, в зависимости от сочетания всех свойств почв, вносимых удобрений и ядохимикатов, в зависимости от вида сельскохозяйственной культуры, ее урожая, фазы развития растений. Мы не вправе сравнивать свойства почв, характеризующие плодородие, без учета среды (с позиций внутреннего единства системы). Плодородие почв следует рассматривать как комплексную величину, зависящую не только от состава и свойств почвенной массы, но и от других факторов, в первую очередь, климатических. Для оценки плодородия мы может сравнивать величину отдельных параметров почв только с учетом условий среды, т.к. эти показатели отражают плодородие в условиях определенной среды и в сочетании с ними. Судить о плодородии почв по их свойствам можно только в относительно одинаковых условиях среды и только для определенных видов растений, близких по требованиям, предъявляемым к свойствам почв в этих условиях (Васенев И.И., 1999, 1998; Власов А. Д., 1992; Кауричев И. С., 1991, 92- Карманов И. И., 1985, 90,97).
Плодородие — это динамическое свойство почв. Его динамичность определяется как развитием почв, так и динамичностью внешних условий, в которых развивается почва. Понятие плодородия может значительно меняться с уровнем интенсификации и химизации сельскохозяйственного производства. Под оптимальными параметрами почвенного плодородия понимается такое сочетание свойств и режимов почв, при котором определенные растения наиболее продуктивно используют эти свойства и дают наибольший урожай хорошего качества в определенных климатических условиях. Из этого следует, что оптимальные параметры могут выявляться только для отдельных видов растений или групп растений, близких по требованиям и свойствам почв и только в определенных климатических условиях, в которых эти свойства могут наиболее продуктивно использоваться растениями (оптимальные параметры могут различаться и в разные фазы развития растений).
Целесообразно различать абсолютную и относительную оптимизацию почвенного плодородия. Под абсолютной оптимизацией понимается оптимизация всех параметров почвенного плодородия, включая механический состав, содержание гумуса, питательный, водный, воздушный и тепловой режимы, биологическую активность почв и т. д. Такая оптимизация может быть достигнута в тепличных грунтах. Под относительной оптимизацией следует понимать оптимизацию комплекса наиболее мобильных параметров относительно некоторых стабильных параметров (таких как механический состав, обеспеченность теплом, влагой и т. п.).
Следует различать экологически и экономически оправданные пределы изменения свойств почв при окультуривании. Можно создать почву с высоким содержанием элементов питания, которые, однако, будут мигрировать в грунтовые воды и загрязнять их, ухудшать качество сельскохозяйственной продукции. Для каждых конкретных условий оптимальны свои пределы, как изменения свойств почв, так и их оптимизации, т.к. с увеличением содержания одного элемента, доступность для растений других элементов может уменьшаться. Это определяет экологически оправданные пределы изменения свойств почв при окультуривании. В то же время, для определенных конкретных ситуаций и экономических возможностей также оптимален свой предел изменения свойств почв. Свойства почв целесообразно оптимизировать до такого уровня, затраты на достижение которого оправдываются прибавкой урожая и его качеством. В связи с этим, для разного уровня интенсификации производства целесообразно достижение и определенных свойств почв. Примеры изменения свойств почв при окультуривании приведены в следующих таблицах.
Таблица 1.
Свойства дерново-подзолистых почв разной степени окультуренности (по Авдонину Н.С.).
Степень окуль-: рН (сол): Нгидр.: Нобм. :А1 мг/100г: Б мг-экв/100г: У,%: Гумус, % туренности мг-экв/100 г: слабая 4,4 6,7 1,2 10,6 4,7 59,7 1,9 средняя 5,6 3,9 нет нет — 69,5 2,8 хорошая 6,2 1,3 нет нет 10,8 80,2 3,8 огород 6,4 2,0 нет нет 21,1 91Д 6,0.
Таблица 2.
Изменение свойств пахотных дерново-подзолистых почв при окультуривании (ссылка по Савичу В. И. и др., 2001).
Почва :Ап, см: Гумус, %: рН (КС1): Р2О5: К2О: Б: Н: Урожай пше-:: :: мг/100г :мг-экв/100 г: ницы, ц/га исходная 17 Р 43 5Д) 9/7 5Л 6Д 193 после окультуривания30 1,9 5,1 15,0 19,5 12,4 2,4 39,7.
Диагностические показатели степени окультуренности почв Почвы, используемые в сельскохозяйственном производстве, подразделяются на освоенные, слабо, средне и хорошо окультуренные, культурные. Однако, для разных типов почв градации разработаны для разных признаков и несовершенны. Так, например, по Кирюшину В. И., дерново-подзолистые почвы подразделяются на две группы: А) развитые на глинистых и суглинистых материнских породахВ) развитые на песчаных и супесчаных породах. По степени окультуренности почвы первой группы разделяются на три категории: освоенные, окультуренные и сильно окультуренные (культурные).
К освоенным, относятся почвы, вовлеченные в активный сельскохозяйственный оборот и используемые при низком уровне агротехники, малых дозах органических и минеральных удобрений, недостаточном известковании или без него. Пашня, как правило, имеет пестро окрашенную пятнистую поверхность, часто образуется корка. Мощность пахотного слоя 15−20 см. Содержание гумуса колеблется в пределах 1,5−2,5%, отношение СпоСфк = 0,50,7. Глубже пахотного слоя содержание гумуса резко снижается. Емкость поглощения катионов колеблется в пределах 10−12 мг-экв на 100 г. Реакция кислая (рНСОл = 4,3−4,7), реже слабокислая, гидролитическая кислотность более 5 мг-экв/100 г, насыщенность основаниями чаще всего в пределах 3060%. Содержание легкогидролизуемого азота 2−4 мг/100 г почвы. Обеспеченность подвижным фосфором низкая (3−10 мг/100 г), обменным калием низкая и средняя (10−20 мг/100 г), нитрификационная способность 2−3 мг/100 г почвы азота. Плотность сложения пахотного слоя 1,3−1,4 г/см, общая пороз-ность меньше 45%. Нижележащие горизонты сохраняют все свойства целинных почв.
Окультуренные дерново-подзолистые почвы формируются в условиях высокой агротехники (соблюдение севооборотов, регулярное внесение органических и минеральных удобрений, известкование, хотя и не всегда достаточное). Довольно отчетливо сохраняются признаки подзолистого типа почвообразования, но сильнее, чем в целинных почвах выражены черты дернового процесса. На распаханной поверхности окультуренных почв, в отличие от освоенных, пятнистость выражена не резко. Мощность пахотного слоя 2025 см. Содержание гумуса в нем 2−3,5%, редко выше. В его составе значительно возрастает доля гуминовых кислот, отношение СпоСФК колеблется, в основном, в пределах 0,6−0,8. Емкость поглощения катионов 12−18 мг-экв/100 г, рНСол = 5,0−5,5, гидролитическая кислотность 3−5 мг-экв/100 г почвы, степень насыщенности основаниями 60−80%. Обеспеченность подвижным фосфором 10−25 мг/100 г почвы, подвижным калием — 10−22 мг/100 г. Содержание легкогидролизуемого азота — 4−6 мг/100 г, нитрификационная способность — 3−4 мг/100 г почвы. Плотность сложения пахотного слоя 1,2−1,3 г/см, общая порозность 45−50%.
Подзолистый горизонт А2 (нередко отсутствует) заметно изменен, по сравнению с целинным аналогом. Верхняя его часть, примыкающая к Апах, прокрашена гумусом и испещрена мелкими пятнами органического вещества. Характерный для подзолистых почв минимум емкости поглощения в окультуренных почвах сохраняется, но заметно возрастает абсолютная величина, как общей емкости поглощения, так и суммы обменных оснований.
Горизонт В, при залегании под А2 и А2 В, сохраняет свойства горизонта В целинных почв. Однако при залегании непосредственно под горизонтом Апах наблюдается заметная его трансформация, что сказывается в потемнении окраски верхней части этого горизонта, обилии ходов червей.
Дерново-подзолистые культурные (высоко окультуренные) почвы формируются в условиях длительного и интенсивного окультуривания. При регулярном внесении больших количеств навоза и систематическом известковании почвы, как правило, утрачивают морфологический облик подзолистого типа. На распаханной территории высоко окультуренных почв пятнистость почти незаметна. Эти почвы характеризуются достаточно мощным пахотным слоем 25−30 см с содержанием гумуса 3−5%, с повышенной долей гу-миновых кислот в его составе (СпоСфк = 1,1−1,3). Емкость поглощения катионов — 20−25 мг-экв/100 г почвы, рНСол = 5,5−6,5, гидролитическая кислотность — 1,5−2,0 мг-экв/100 г, степень насыщенности основаниями более 80%. Обеспеченность подвижным фосфором и калием соответственно 25−30 и 2225 мг/100 г почвы. Содержание легкогидролизуемого азота 6−10 мг/100 г, нитрификационная способность — 4−5 мг/100 г азота. Плотность сложения пахотного слоя 1,1−1,2 г/см, общая порозность — 50−55%.
В профиле высоко окультуренных почв горизонт А2, в большинстве случаев, отсутствует, а если имеется, то малой мощности (3−5 см) и сильно трансформированный. Он испещрен мелкими гнездышками гумусированного вещества. Количество гумуса достигает 0,5−1,0%. Заметно трансформирован также горизонт Вь Он прокрашен гумусом и испещрен ходами червей, мелкими гнездышками гумусированного вещества. Горизонт В2 и ВС не изменены. Распространение культурных дерново-подзолистых почв ограничивается преимущественно огородными, приусадебными участками.
Дерново-подзолистые почвы группы В, развитые на супесчаных и песчаных породах, делятся на две группы по степени окультуренности освоенные и окультуренные. Освоенные почвы характеризуются маломощным пахотным слоем 15−20 см. Количество гумуса варьирует от 0,3 до 2%. При этом резкие изменения в содержании гумуса, происходящие на незначительных расстояниях, характерны для песчаных почв, в супесчаных освоенных почвах оно колеблется в пределах 1,3−2%. В групповом составе гумуса преобладают фульвокислоты (отношение СГк: СФк = 0,4−0,6). Емкость поглощения катионов и сумма обменных оснований песчаных почв очень низкие — соответственно 3−7 и 0,8−4 мг-экв/100 г. В супесчаных почвах емкость поглощения возрастает до 4−10 мг-экв/100 г, а величина суммы обменных оснований приобретает большую стабильность и, в среднем, несколько возрастает, достигая 2−4 мг-экв/100 г. Реакция кислая (рн+4−5), степень насыщенности основаниями 20−50%. Содержание подвижных форм фосфора и калия 5−15 мг/100 г. Физические свойства освоенных и целинных песчаных и супесчаных почв близки.
Окультуренные почвы этой группы характеризуются более мощным пахотным слоем 20−25 см и более. Количество гумуса, по сравнению с его содержанием в освоенных почвах возрастает и выравнивается: в песчаных почвах оно возрастает в пределах 1,5−2%, а в супесчаных увеличивается до 2,5−3%. В групповом составе гумуса преобладают фульвокислоты, но в значительно меньшей степени, чем в освоенных (отношение СГк" Сфк = 0,6−0,9). Емкость поглощения составляет 6−12 мг-экв/100 г, рНСол = 5,5−6,0. Сумма обменных оснований не ниже 3−4 мг-экв/100 г (в супесчаных почвах 7−10 мг-экв/100 г). Степень насыщенности основаниями 50−70%. Обеспеченность подвижных фосфором возрастает до 20−30 мг/100 г, подвижным калием — до 10−15 мг/100 г (Каштанов А.Н., 1998).
Ряд авторов приводит диагностические показатели степени окульту-ренности почв для почв определенного гранулометрического состава, отдельных горизонтов почв, не только для типов, но и для подтипов почв (Ми-неев В.Г., 1999; Вальков В. Ф., 1986; Карманов И. И., 1985, 87).
От степени окультуренности почв зависит миграция токсикантов в другие компоненты экосистемы. Чем в большей степени почва насыщена элементами питания, тем легче она отдает их в мигрирующие растворы, больше их попадает в водную и воздушную среды. В то же время, окультуривание вызывает и резкое уменьшение подвижности ряда токсикантов и, в том числе, тяжелых металлов, как в связи с увеличением емкости поглощения почв и гумусированности, так и в связи с нейтрализацией рН среды. Однако после прекращения процесса окультуривания увеличение подвижности тяжелых металлов наблюдается вновь. Так, например, при окультуривании дерново-подзолистых почв реакция среды доводится до рН=5,5−6,5, что приводит к образованию осадков кадмия — Сс1(ОН)2. Подкисление среды после прекращения окультуривания вызывает и резкое увеличение подвижности кадмия в почвах — миграцию его в грунтовые воды. Такое явление, в частности, наблюдалось в ряде стран Западной Европы при отведении загрязненных пахотных земель под лесные угодья.
Оптимальные свойства, процессы и режимы почв неодинаковы для различных культур и групп культур. Так, например, оптимум К на дерново-подзолистых почвах Предкарпатья составляет 0,60−0,86 ммоль/л для озимой пшеницы- 1,66−2,10 — для ячменя- 1,13−1,45 — для клевера- 0,93−0,98 — для сенокоса- 0,57−0,63 — для кукурузы (Гринченко Т.А., 1986). Оптимум Са для супесчаных дерново-подзолистых почв составляет 0,83−1,0 ммоль/л для ячменя- 1,35−1,97 — для озимой пшеницы- 0,72−1,04 — для люпина. Оптимальная величина известкового потенциала составляет для озимой пшеницы 4,96.
5,22- для ячменя — 4,46−4,96- для клевера — 4,95−5,21- для люпина — 4,45−5,0 (Гринченко Т.А., 1986). Оптимальные значения свойств почв отличается и для отдельных типов севооборотов. Это иллюстрируется данными следующей таблицы.
Таблица 3.
Оптимальные значения рН и V% для дерново-подзолистых почв Артюшин A.M. и др., 1991).
Почвы по гранулометрическому составу Севообороты Культурные пастбища и сенокосы с высоким % льна с травами, картофелем, льном с сахарной св., люцерной кормовые овоще-кормовые злаковый травостой бобово-злаковый травостой песчаные и супесчаные суглинистые тяжело суглинистые и глинистые 5,0/65 5,3/70 — 5,5/70 5,6/85 5,2/70 5,4/80 5,2/70 5,4/75 6,2/90 5,8/80 6,0/90 5,4/75 5,6/80 5,4/75 5,5/80 6,2/95 6,0/85 6,2/85 5,6/80 6,0/90.
По данным Державина Л. М., оптимальное содержание подвижного фосфора по Кирсанову составляет на дерново-подзолистых почвах 10−15 мг/100 г в полевом зернотравном севообороте- 15−20 мг/100 г — в полевом зернопропашном севообороте и 25−30 мг/100 г — в овощном севообороте. Содержание обменного калия должно составлять соответственно 12−17- 17−25 и 25−30 мг/100 г почвы. Оптимальные свойства и эффективность удобрений зависят от сортовых различий с/х культур (Барбер С.А., 1988; Дурманов Д. Н., 1991; Кулаковская Т. Н., 1990).
Оценивая агрономическую интерпретацию физико-химических свойств почв, в целом, следует указать, что оптимальные величины параметров несколько неоднозначны для разных типов почв, регионов, видов растений и их фаз развития, соотношения свойств почв. Для получения запланированного урожая необходимо создание заданных свойств почв (агрохимических, физико-химических, водно-физических, физико-механических и т. д.), соблюдение правильной агротехники, проведение работ в оптимальные сроки, посев сортовыми районированными семенами с хорошей всхожестью, своевременная борьба с вредителями и болезнями, создание оптимальных условий водного, воздушного и теплового режимов почв.
Ряд авторов разработал предложения по комплексной оценке плодородия или окультуривания почв. Гринченко Т. А. и Егоршиным A.A. (1984) предложен сводный показатель качества почв, как единый критерий комплексной оценки плодородия и степени окультуренности: СПКП = У1У2У3УПТ Авторы справедливо считают, что отклонения X от оптимального уровня в любую сторону приводит к ухудшению общего состояния. Однако, не все свойства почв влияют на плодородие одинаково.
Ермохиным Ю.И. (1981) справедливо отмечается, что высокие урожаи хорошего качества можно получить только при сбалансированном почвенном питании. Автор предлагает рассчитывать дозы одного из элементов питания с учетом содержания в почве других элементов питания. Например, Р205 = 10 (N-NO3) = К20. Mn = 17С = 154Мо = 57 В (для стандартных методов определения). Аналогичные зависимости предложены для разных фаз развития растений. Таким образом, для отдельных культур и фаз их развития будут оптимальны как определенные лимиты свойств почв, так и их сочетания. Плодородие и окультуривание почв во многом определяют и эффективность применения удобрений.
ВИУА предлагает новую методологию экологически безопасных систем применения удобрений, обеспечивающих устойчивое развитие агро-ландшафтов. По мнению разработчиков, она позволит решить возникшие проблемы и повысить окупаемость 1 кг удобрений до 6−8 кг зерновых единиц, а в интенсивных технология на окультуренных почвах — до 10 кг зерновых единиц. Авторы рекомендуют: 1) «Воспроизводство плодородия должно осуществляться на основе сочетания агротехники, мелиоративных и агрохимических приемов при строгой их последовательности: оптимизируется агротехника, затем устраняются лимитирующие факторы, как кислотность, эрозионные процессы. Этим самым создается фон для высокой эффективности применения органических и минеральных удобрений, сидератов, биологического азота». 2. Освоение зональных систем земледелия и технологических приемов. 3. Жесткое выполнение программ по оптимизации реакции почвенной среды, защите почв от эрозии и деградации, как мероприятий, предшествующих применению удобрений. Эти мероприятия направлены на охрану окружающей среды, обеспечение устойчивого развития агроланд-шафтов. 4. Максимальное насыщение севооборотов биологическим азотом. 5. Обеспечение оптимального уровня питания растений при контроле за плодородием почв. Рекомендуется ориентироваться на постепенное экономически и экологически обоснованное повышение содержания питательных веществ в почве в течение севооборота (Милашенко Н.З., 2000).
Большое значение имеет оценка и прогноз изменения свойств почв при применении удобрений. При этом изменяются как агрохимические, так и физико-химические, водно-физические и другие свойства почв. В работе Ахмед Сайд Метвали (1985), выполненной под руководством Горбылевой А. И., показано, что на дерново-подзолистых почвах под влиянием удобрений происходило уменьшение содержания гумуса и связанной с ним емкости поглощения почв. Изменилось соотношение обменных K/(Ca+Mg), которое стало выше. Шевцовой JI.K. показано, что применение органических и минеральных удобрений приводит к увеличению доли периферических структур в молекулах гумусовых и фульвокислот. Щербаковым А. И. (1998) установлено, что на выщелоченном черноземе в условиях длительного применения удобрений повышается доля ФК и общего растворимого углерода, снижается содержание негидролизуемого остатка.
В ряде работ отмечается, что действие удобрений на урожай и конкретные почвы зависит от сочетания свойств почв. Аристархов А. Н. (2001; Василевская В. Д., 1994; Глазовская М. А., 1997; Поддубный H.H., 1973) отмечает, что минеральные азотные удобрения снижают отрицательное действие свинца, мышьяка и меди, фосфаты ослабляют вредное действие на растения свинца и кадмия, а магниевые удобрения — фтора и никеля, сера снижает токсичность ртути.
Как отмечает Мамчиц З. А. (1981), урожайность зерновых культур зависит не только от отдельных факторов и даже не от их суммы, а от того, в какой комбинации находятся эти факторы. Панниковой И. В. (1983) показано, что при 30-летнем применении удобрений на не известкованной слабоокуль-туренной, дерново-подзолистой почве наибольший эффект получен от внесения Р > N > К, а на известкованной — N > К > Р. Автор указывает, что на фоне извести эффективность полного минерального удобрения при выращивании озимой ржи увеличивалась в 1,5 раза, озимой пшеницы — в 2 раза.
Ряд авторов отмечает, что на легкосуглинистой дерново-подзолистой почве прирост урожая культур полевого севооборота на 65,5% зависит от реакции среды (рНКс1 = 4,75−6,75) и лишь на 22,9% - от удобрения ЫРК (от Ы45Р45К45 до ^25Р125К|25). На супесчаной почве прирост урожая культур полевого севооборота в основном (на 57,3%) зависел от доз КРК и лишь на 22,8% от реакции среды (Минеев В.Г., 1990). В ряде работ показано, что эффективность минеральных удобрений выше на почвах более плодородныхвлияние почвенного плодородия на урожайность зерновых выше при внесении больших доз удобрений (Мамчиц З.А., 1991).
Процессы, протекающие в почве при их взаимодействии с удобрениями и мелиорантами, зависят и от технологи их применения (Полев Ю.А., 1994; Расширенное воспроизводство, 1993). Эффективность известкования почв зависит от технологических приемов и способов заделки мелиорантов в обрабатываемом слое. Так, например, Платоновым И. Г. (2000) показано, что при системах безотвальной обработки дерново-подзолистых суглинистых почв (пулевой, поверхностной, фрезерной, плоскорезной, чизельной) основная масса известковых удобрений заделывается неглубоко, что способствует более быстрой нейтрализации почвенной кислотности верхней части пахотного слоя и увеличению продуктивности севооборотов. В то же время длительное применение систем поверхностной обработки не повышает продуктивность севооборота из-за неблагоприятных физико-химических свойств нижней части гумусового и всего корнеобитаемого слоя.
Ряд работ посвящен выяснению механизмов взаимодействия удобрений и мелиорантов с почвой. Так, например, при оценке закрепления кальция в дерново-подзолистых почвах установлено, что основными механизмами его закрепления являются обменное и биологическое поглощение. Установлено, что через 2 года после внесения известковых удобрений (69−82%) кальция находится в местах его заделкиот 87% до 100% кальция, вынесенного из зоны внесения, закрепляется в нижележащем 2−3 см слое (Карпухин А.И., Платонов И. Г., 1988).
Большое значение имеет прогноз взаимодействия удобрений и мелиорантов с почвой. В настоящее время для прогноза изменения свойств почв, их плодородия при применении минеральных удобрений в ЦИНАО разработан программный комплекс «Прогноз». Как предлагают авторы, в разных градациях содержания элементов в почве необходимо использовать и различные величины поправочных коэффициентов. Зависимость прогнозируемых показателей с факторами, имеющими числовые выражения, представлены в виде системы простых функций на отрезках ломаной линии, позволяющих описывать нелинейный характер действия возрастающих значений независимых факторов в форме непрерывных связей (Попова Р.Н. и др., 1997).
Скрытое отрицательное действие удобрений и мелиорантов.
С усилением антропогенного воздействия на почву все более усложняются взаимосвязи в системе почва-растение, актуальным становится вопрос взаимодействия почвы в экологической системе. Внесение удобрений и мелиорантов в почву, в значительной степени, изменяет свойства почв, подвижность и доступность элементов питания (Романенко Г. А., 1998; Воронин.
А.Д., 1998; Чижикова Н. П., 1996; Войтович Н. В., 1997). В ряде случаев возникает скрытое отрицательное действие удобрений, когда при улучшении одного показателя, одновременно ухудшаются другие показатели почвенного плодородия, что приводит, в конечном итоге, к уменьшению урожая с/х культур, ухудшению их качества, снижению эффективности применения удобрений. Причем подобные явления возникают не только при высоких дозах химикатов, но при небольших дозах вблизи гранул удобрений и мелиорантов. Все, что вносится в почву, реагирует в ней с другими компонентами, и для эффективного ведения производства необходим строгий физико-химический расчет и прогноз протекающих процессов.
На эффективность удобрений влияют различные факторы. Согласно обзора Международного института калия (Mangel К, 1987; Прокошев В. В., 2000), доля влияния различных агротехнических факторов на эффективность удобрений составляет следующий порядок величин: плохая подготовка почвы к посеву — 10−25%- низкое качество посевного материала — 5−20%- несоблюдение сроков сева — 20−40%- неудачный выбор сорта — 20−40%- несоответствие густоты посева — 10−25%- неправильное внесение удобрений — 510%- нарушение режима осушение-орошение — 10−20%- засоренность посевов — 15−20%- поражение болезнями и вредителями — 5−20%- несбалансированное применение удобрений — 20−50%. Таким образом, несбалансированное применение удобрений является важным фактором деградации почв и агрофитоценозов, причиной низких урожайностей сельскохозяйственных культур, невысокой экономической эффективности применения удобрений и мелиорантов в ряде хозяйств.
Влияние различных факторов на урожайность с/х культур оценивается следующим образом (%): удобрения — 41- гербициды — 15−20- благоприятная почва — 15- гибридные семена — 8- ирригация — 5- прочие факторы — 11−16. По статистике ФАО внесение 1 кг питательных веществ удобрений (N + Р205 + К20) в среднем дает прирост урожая пшеницы 7,3 кг, риса — 8,5- кукурузы.
8,8- хлопчатника — 2,7. Однако, в реальных условиях России эффективность применения минеральных удобрений значительно ниже. На практике, в ряде хозяйств применение удобрений и других средств химизации не дает положительного эффекта из-за общего низкого уровня земледелия: плохого качества посевного материала и посеванесоблюдения агротехнических требований подготовки поля, отсутствия севооборота, недостаточной надежности и мощности уборочной техники, недостатком знаний в вопросах химизации (Артюшин A.M., Дерюгин И. П. и др., 1991).
Каждое поле и культура требуют конкретных комплексных технологий получения наивысших урожаев заданного качества. Недооценка системных связей, упрощенный подход к интенсивному земледелию, как к простой совокупности технологический приемов, практически повсеместно ведут не только к недобору урожая, но и к избыточному экологически опасному накоплению в агроценозах продуктов химизации. Следует отметить, что чем более уравновешены и оптимизированы условия питательного режима в почве, тем более экономно расходует растение элементы питания для получения урожая и меньше необходимо внести удобрений для изменения содержания их подвижных форм элементов питания в почве на единицу. Для предотвращения негативного действия химизации на агрофитоценозы необходим расчет взаимодействия удобрений и мелиорантов с почвой и прогноз их поведения в экосистеме. Необходимо изучение поведения удобрений в ландшафте с привлечением биогеохимических методов исследований, развитие агрогео-химии (КовдаВ.А., 1984).
Минеев В.Г. (1990) выделяет следующие негативные последствия воздействия химизации земледелия на природную среду: 1) неправильное применение минеральных удобрений может ухудшить круговорот и баланс питательных веществ, агрохимические свойства и плодородие почв- 2) нарушение технологии применения удобрений, несовершенство качества и свойств минеральных удобрений могут снизить урожай сельскохозяйственных культур и качество растениеводческой продукции- 3) нарушение оптимизации питания растений макрои микроэлементами способствует развитию грибных и прочих болезней, ухудшает фитосанитарное состояние посевов- 4) попадание питательных элементов из удобрений и почвы в грунтовые воды и в водоемы с поверхностным током может привести к усиленному развитию водорослей и образованию планктона, т. е. к эвтрофикации природных вод- 5) потери некоторых соединений азота в атмосферу отрицательно сказываются на жизнедеятельностивозможно разрушение озонового слоя.
Скрытое отрицательное действие удобрений может проявляться по влиянию его на почву, растения, окружающую среду. При составлении алгоритма расчета необходимо учитывать следующие процессы:
1. Влияние на растения: уменьшение подвижности других элементов в почвев качестве путей устранения отрицательных последствий применяется регулирование эффективной растворимости и эффективной константы ионного обмена, за счет изменения ЕЬ и рН, ионной силы, комплексообразова-ниявнекорневая подкормка и внесение в прикорневую зону, регулирование избирательности растений.
2. Ухудшение физических свойств почв: в качестве путей устранения отрицательных последствий применяются прогноз и сбалансированность системы удобрений, применение структурообразователей, приемов улучшения структуры почвы.
3. Ухудшение водных свойств почв: в качестве путей устранения отрицательного последствия применяются прогноз и сбалансированность системы удобренийулучшение водного режима за счет мелиорацииприменение компонентов, улучшающих водный режим.
4. Уменьшение поступления веществ в растения, конкуренция за поглощение корнем, токсикация, изменение заряда корня и прикорневой зоныв качестве путей устранения отрицательных последствий применяются сбалансированность системы удобренийвнекорневая подкормка растений.
5. Проявление несбалансированности в корневых системах, нарушение циклов метаболизмапути устранения отрицательных последствий указаны в п. 4.
6. Появление несбалансированности в листьях, нарушение циклов метаболизма, ухудшение технологических и вкусовых качествпути устранения отрицательных последствий — по п. 4.
7. Токсикация микробиологической активностив качестве путей устранения отрицательных последствий применяются сбалансированность системы удобренийувеличение буферности почввнесение источников питания для микроорганизмов.
8. Токсикация ферментативной активностипути устранения отрицательных последствий — по п. 7.
9. Токсикация животного мира почвыв качестве путей устранения отрицательных последствий применяются сбалансированность системы удобрений, увеличение буферности почв.
10. Уменьшение адаптации к вредителям и болезням, экстремальным условиям, в связи с перекормомв качестве мер устранения отрицательных последствий рекомендуется оптимизация соотношения элементов питаниярегулирование доз удобренийинтегрированная система защиты растенийприменение внекорневой подкормки.
11. Потери гумуса, изменение его фракционного составав качестве путей устранения отрицательных последствий можно применять внесение органических удобрений, создание структуры, оптимизация рН и ЕЬ, регулирование водного режима, сбалансированность системы удобрений.
12. Ухудшение физико-химических свойств почвпути устраненияоптимизация системы удобрений, внесение мелиорантов, органических удобрений.
13. Ухудшение физико-механических свойств почвмеры устранения отрицательного влияния — по п. 12.
14. Ухудшение воздушного режима почвыдля устранения отрицательного действия необходимо оптимизировать систему удобрений, вносить мелиоранты, создавать структуру почвы.
15. Почвоутомляемостьнеобходимо сбалансировать систему удобрений, строгое выполнение плана севооборота.
16. Появление токсичных концентраций отдельных элементовдля снижения отрицательного влияния необходима сбалансированность системы удобрений, увеличение буферности почв, осаждение и удаление отдельных элементов, комплексообразование.
17. Увеличение концентрации отдельных элементов в растениях выше допустимого уровнянеобходимо снижение норм удобрений, сбалансированность системы удобрений, внекорневая подкормка с целью конкуренции поступлению токсикантов в растения, внесение в почву антагонистов токсикантов.
Применение минеральных удобрений достигает от 60 до 200 кг действующего вещества отдельных компонентов (1Ч, Р, К) на гектар. Это соответствует внесению на поля до 10−30 ц туков. Дозы мелиорантов достигают 2−12 т/га СаСОз и Са8С>4- дозы органических удобрений — 12−30 т/гадозы микроудобрений — 3−5 кг/га. Помимо основного действующего вещества, во вносимых в почву удобрениях и мелиорантах содержится значительное количество примесей, в том числе токсичных для биоты и растений. Длительное применение средств химизации приводит к постепенному накоплению этих токсикантов в почве.
Отрицательное влияние на биоту может оказывать фтор, в значительном количестве содержащийся в фосфорных удобрениях. Длительное внесение в почву суперфосфата, который обычно содержит 1,5% фтора, приводит к быстрому накоплению в почве фтора, непосредственно доступного растениям (аммофос содержит 3−5% фтора). Так, например, в свекловичных районах применяют до 830 кг/га суперфосфата в год. Одновременно с таким количеством суперфосфата вносится 11 кг фтора. С каждой тонной необходимого растениям фосфора на поля поступает около 160 кг фтора. Естественно, это приводит к накоплению фтора в почве и в растениях. Так, например, на мощном черноземе Мироновского НИИССП в опыте с бессменной культурой общее содержание фтора в почве возросло на 22−28%. Содержание фтора в пшенице на территории России, где применяются относительно небольшие дозы удобрений, составляет 0,8−1,7 мг/кг сухого вещества, а во Франции до 10 мг на 1 кгв США — до 8.
Значительное отрицательное влияние на биоту оказывает кадмий. Содержание кадмия в суперфосфате достигает 170 мг/кг (в среднем — 36−40). До 15 мг кадмия на 1 кг содержится в известнякеот 1до 170 мг/кг — в калийных отложениях- 0,4 мг на 1 кг — в сухой массе навозадо 50 мг/кг — в осадках городских сточных воддо 180 мг/кг — в сапропеле. Ежегодное внесение в почву удобрений и мелиорантов, содержащих кадмий, естественно, приводит к его накоплению в почве и в растениях. При этом до 80% кадмия, внесенного в почву, может удерживаться в пахотном слое. Содержание кадмия в растениях достигает 10−20 мг на 1 г растений, что отмечается при содержании его в почве порядка 10 мг/кг. Однако, при современном уровне химизации на каждый гектар сельскохозяйственных угодий поступает не более 3 г кадмия. При такой интенсивности загрязнения почв для достижения допустимой концентрации кадмия — 0,1 мг/кг — потребуется 100 лет (Минеев В.Г., 1990). Предельно допустимая концентрация внесения кадмия в почву с удобрениями составляет до 4 г/га в год (содержание кадмия в пахотном слое составляет около 0,55 кг/га). ПДК для кадмия в почве находится в диапазоне 1−5 мг/кг.
Повышенные концентрации мышьяка обнаруживаются в пахотных почвах, на которых сельскохозяйственные растения обрабатывались мышьяковистыми препаратами, и на почвах, подверженных техногенному загрязнению. Накопление мышьяка возможно и при использовании минеральных удобрений, в разной степени загрязненных этим элементом. В двойном суперфосфате содержание мышьяка может достигать 300 мг/кг, в аммиачной селитре 60 мг/кг. С нитратами, сульфатами, мочевиной в почву попадает от 1 до 10 г/га мышьяка, с двойным суперфосфатом — до 30−300 г/га в год (Минеев В.Г., 1990). Токсичная концентрация в почве мышьяка соответствует 50 мг/кгумеренно токсичная концентрация в питательных растворах — 1−100 мг/л.
В некоторых фосфоритах содержится значительное количество цинка (до 1300 мг/кг), некоторое количество его содержится и в других удобрениях.
Свинец присутствует в минеральных удобрениях, извести и навозе, достигая в некоторых удобрениях до 300 мг/кгв навозе до 10 мг/кгв осадках городских сточных вод от 13 до 19 730 мг на 1 кг сухой массы. Согласно санитарным правилам, в качестве удобрений, на полях могут применяться осадки сточных вод, содержащие не более 15 мг свинца на 1 кг.
Содержание ртути в соединениях, из которых производят удобрения, колеблется от месторождения и составляет до 10 мг/кг, но чаще до 1 мг/кг.
Для мелиорации солонцовых почв активно применяют фосфогипс — отход производства суперфосфата, содержащий до 1,5% фтора и 1,8−2% стронция. Сапропели, как правило, содержат значительное количество кадмия (до 180 мг/кг сухой массы). В навозе, в среднем, содержится 0,4 мг кадмия и 6,8 мг свинца на 1 кг сухого вещества. Наибольшее количество токсикантов содержится в осадках сточных вод и в ряде случаев в илах озер, в загрязненных районах — в низинных торфах.
Основными причинами появления скрытого отрицательного действия удобрений в почвах являются: 1) несбалансированное применение различных удобрений- 2) превышение применяемых доз, по сравнению с буферной емкостью отдельных компонентов экосистемы- 3) направленный подбор форм удобрений для отдельных типов почв, растений и условий среды- 4) неправильные сроки внесения удобрений для конкретных почв и условий среды- 5) внесение вместе с удобрениями и мелиорантами различных токсикантов и их постепенное накопление в почве выше допустимого уровня.
Скрытое отрицательное действие на почву повышенных концентраций удобрений.
Повышенные дозы всех минеральных удобрений могут привести к появлению токсичных концентраций элементов в растворе. По данным Риньки-са Г. Я. (1976, ссылка по Кулаковской Т. Н., 1978), снижение продуктивности растений на 20% наступает при следующей концентрации элементов мг/л: N — 150- К — 150- Са — 60 000- Mg — 150- Fe — 150- Си — 7- Zn — 15- Mn — 50- Со -3- Mo — 5- В — 3. При сочетании различных свойств почв пороги токсичности могут, очевидно, изменяться, однако, порядок приводимых величин соответствует данным многих авторов.
Как показано Горячих А. С. с соавторами (2001), длительное внесение высоких доз минеральных удобрений даже на черноземы вызвало стрессовую реакцию микрофлоры. По данным Гринченко Т. А. (1986), минеральные удобрения усиливают декальцинизацию и увеличивают подвижность алюминия. Лыткин И. И. и Гребенников A.M. (2001) указывают, что применение высоких доз извести на торфяных почвах под картофель не оправдано экономически, приводит к дисбалансу элементов питания, и может явиться причиной развития деградационных процессов, связанных с интенсивной минерализацией торфа и дефляцией.
Скрытое отрицательное действие минеральных удобрений на дерново-подзолистых почвах часто проявляется в увеличении подвижных форм алюминия и марганца. При внесении минеральных удобрений, из расчета N25. 30Р83К8З-120 на фоне 10−15 т навоза, в первый год внесения в почве увеличивалось содержание подвижных форм Р2О5 и К20, но и в 2 раза возросло содержание подвижного алюминия. При совместном внесении этих удобрений с навозом количество подвижного алюминия снизилось (Державин JI.M., 1992).
Внесение органических и минеральных удобрений существенно изменяет гумусовое состояние почв. По данным Крылатова А. К. (1997) в 19 861 996 г. г. в России было внесено органических удобрений на 1 га пашни 3,6 т/га, а в 1995 г. — 1,4 т/гаминеральных азотных удобрений соответственно -0,35 и 0,08 ц/га. Потеря гумуса при этом составляла соответственно 0,49 т/га и 0,68 т/га. Главными причинами потери гумуса пахотными почвами Орлов Д. С. (1985) считает уменьшение количества растительных остатков, поступающих в почву, при смене естественного биоценоза агроценозомусиление минерализации органического вещества, в результате интенсивной обработки и повышения степени минерализации почв, разложение и биодеградацию гумуса под влиянием физиологически кислых удобрений и активацию микрофлоры за счет вносимых удобрений, усиление минерализации в результате осушения переувлажненных почв, усиление минерализации гумуса орошаемых почв в первые годы орошения, потери гумуса в результате водной и ветровой эрозии.
Орел А.Н. с соавторами (2000) отмечает, что на черноземах применение минеральных удобрений способствовало снижению общих потерь гумуса под кукурузой на силос и в севообороте под зерновыми культурами и под сахарной свеклой. По данным авторов, если коэффициент использования азота минеральных удобрений на черноземах принять 0,7, то окажется, что 1 кг использованного азота минеральных удобрений «экономил», в среднем, около 10 кг/га гумуса почвы.
Неблагоприятное влияние на почву, растения и экологическую систему, в целом, оказывает не только избыток элементов питания, но и их недостаток. Обеднение почв элементами питания вызывает, как правило, нарушения экологического равновесия. Данный уровень сопровождается потерей биопродуктивности угодий, что приводит к усилению развития водной и ветровой эрозии, уплотнения, загрязнения почв, к увеличению засоренности и к более интенсивному развитию патогенных микроорганизмов. Обеднение почв элементами питания приводит к ухудшению водно-физических свойств почв, гумусового состояния, падению урожайности и ухудшению качества сельскохозяйственной продукции (Поддубный H.H., 1973; Касицкий Ю. И., 1983; Кольцова Т. А., 2001).
Азотное удобрение выступает, в значительной мере, как разрешающее условие минимизации обработки почвы, использования соломы, в качестве мульчи, сокращения чистого пара в севообороте, их специализации. Без применения фосфорных удобрений резко снижается эффективность чистого пара, увеличиваются потери минерального азота из почвы, вследствие неполного его использования растениями при дефиците фосфора. Стартовое рядковое удобрение ускоряет рост вторичной корневой системы зерновых злаков, что имеет нередко решающее значение в формировании их урожая. Применение удобрений позволяет предотвратить или смягчить воздействие различных стрессов, повышая приспособляемость растений к неблагоприятным условиям, их засухоустойчивость, морозоустойчивость и т. п.
Удобрения оказывают существенное влияние на устойчивость растений к болезням. В частности, фосфорное удобрение, способствуя усилению развития корневой системы, повышает сопротивляемость растений к внедрению и развитию патогенов. Калийные удобрения, способствуя утолщению клеточных стенок, повышению прочности механических тканей, существенно сдерживают развитие грибковых болезней. Противоположную роль в этом отношении играет избыточное азотное питание растений, стимулирующее их возникновение. Сбалансированное удобрение в интенсивных технологиях возделывания зерновых культур ослабляет патологический процесс.
Скрытое отрицательное действие на почву азотных удобрений.
При внесении чрезмерно высоких доз азотных удобрений, особенно при несбалансированности азота с другими элементами минерального питания, происходит накопление нитратов как в водоемах и грунтовых водах, так и в растениеводческой продукции. Избыточное внесение в почву азота приводит к ее диспергированию, как и при большой дозе в ППК (более 5% от емкости поглощения) ионов калия и натрия. Внесение в кислые почвы (NH4)2S04 приводит к значительному подкислению почв (в некоторых черноземах от рН=7,0 до рН=4,8), что сопровождается уплотнением почв, потерей структуры, недостатком кальция и магния, появлением избыточных концентраций марганца и алюминия. Это приводит как к падению урожайности, так и к ухудшению качества с/х продукции — уменьшению сахаристости сахарной свеклы, крахмала в картофеле, масла в подсолнечнике и т. д. Применение высоких доз азотных удобрений на затопляемых почвах (почвах рисовых полей), в связи с интенсивно развивающимися процессами денитрификации, приводит не только к значительным (до 70%) потерям азота, но и к поступлению недоокисленных соединений азота в атмосферу, приводящему к разрушению озонового слоя.
В ряде случаев внесение (NH4)2S04 в почву вызывает ее подкисление. Это связано как с переходом NH4b N03, так и с преимущественным поглощением растениями азота, по сравнению с SO4. В этом случае в почве накапливается серная кислота. Следствием подкисления почв является снижение величины рН, снижение содержания карбонатов, уменьшение буферной способности почв, интенсификация выветривания, выщелачивание или иммобилизация элементов питания растений, биологическая деградация, несбалансированное состояние плодородия почв, лимитирование потребления элементов питания растениями, снижение эффективности использования удобрений, мобилизация токсичных элементов (Розанов А.Б., Розанов Б. Г., 1990).
Так, например, Аристархов А. Н. (2001) отмечает. Что на дерново-подзолистой супесчаной слабооподзоленной почве внесение ZnS04 — 300- CuS04 — 150- (CH3COO)2Pb — 100- (CH3COO)2Cd — 5 мг/кг под картофель привело к гибели урожая во всех вариантах опыта, где не была внесена доломитовая мука (по 2,5 Нг). В условиях повышенной почвенной кислотности применение органических удобрений (ТНК и сапропель по 100 т/га, лигнин — 60 т/га) не обеспечивало сохранение растений, и они гибли от токсикоза вносимых растворимых форм ТМ).
Аммиачная селитра и хлористый калий ухудшают свойства кислой дерново-подзолистой почвы. По данным Гринченко Т. А. с соавторами (1979), длительное применение физиологически кислых удобрений привело к уменьшению активности ионов кальция в верхних горизонтах (до 3,1 млн/л) и увеличению в нижних, известковый потенциал при этом менялся от 0,5 в верхних горизонтах до 4,4 — в нижних. Применение физиологически кислых минеральных удобрений приводит к значительному расширению соотношения активности кальция и калия, к существенному снижению потенциальной буферной способности почв в отношении калия (РВС по Беккет). Считается, что это необходимо учитывать в практике применения удобрений (Гринченко Т.А. и др., 1979).
В то же время, в ряде случаев скрытое отрицательное действие на свойства почв отказывают и другие формы азотных удобрений. Так, по данным Калинина А. И. (1981), ежегодное внесение 90−110 кг/га NH4NO3 уменьшило на дерново-подзолистой почве с 1971 по 1979 г. г. содержание обменного Ca с 33,5 до 24,3 мг-экв/100 г, увеличило обменный алюминий с 4,5 до 10,5 мг на 100 г. По данным Панниковой И. В. (1983), при 30-летнем внесении NH4NO3, NH4NO3 + KCl на не известкованную слабоокультуренную дерново-подзолистую почву pH снизилась до 3,2- гидролитическая кислотность увеличилась на 0,5−1,5 мг-экв/100 гсодержание подвижного алюминия достигло критической величины 15−18 мг на 100 г почвы.
Скрытое отрицательное действие на почву калийных удобрений.
При внесении высоких доз калийных удобрений возможно диспергирование почв, нарушение соотношения в ППК и в почвенном растворе Са: К, часто избыточное подщелачивание. Увеличение содержания в почвах обменного калия выше 5% от емкости поглощения способствует диспергированию почв, ухудшению их водно-физических свойств, потере гумуса, изменению в неблагоприятную сторону Са: К.
Увеличение в почве содержания подвижных фосфатов, в ряде случаев, нарушает оптимальное соотношение N: P:K, уменьшает подвижность ряда поливалентных катионов. Установлено, что большое значение для растений имеет соотношение калия и магния. Анализ растений кукурузы показал, что сочетание К в растениях больше 3,5% с содержанием Mg < 0,3% угнетает рост и развитие, а содержание К — 4,2% и Mg — 0,29% - губительно для кукурузы (Pagel Н., 1982). При этом, неблагоприятное отношение калия к магнию оказало отрицательное влияние на рост растений — вызвало недостаток магния даже при достаточном абсолютном содержании этого элемента в почве и в растениях.
Скрытое отрицательное действие на свойства почв несбалансированного применения фосфорных удобрений.
Применение необоснованно высоких доз фосфорных удобрений, особенно при длительном их внесении, приводит к накоплению в почве тяжелых металлов и вовлечению их в трофические цепи, что вредит здоровью людей и животных (Дианова Т.М., 1998). Повышенные дозы фосфорных удобрений могут вызывать осаждение поливалентных металлов меди, цинка, никеля, кобальта.
Скрытое отрицательное действие на свойства почв избыточного известкования.
Оптимизация одних показателей почв, в ряде случаев, приводит к ухудшению в агрономическом отношении других показателей почв. Так, например, увеличение рН среды в кислых почвах соответствует увеличению кальция, подвижного фосфора, но уменьшает отношение К: Са, содержание подвижных железа, марганца, меди, никеля, цинка, кобальта.
Чрезмерное известкование почв и доведение рН до 7−8 не только приводит к затруднению поглощения отдельных элементов, но и к осаждению в виде трудно растворимых осадков Си, Zn, Ni, Со, Mn, Рк изменению в неблагоприятную сторону соотношения Са: К. Слабко Ю. Н., Солоников С. А. (2000) указывают, что известкование создает условия для необменного закрепления калия. По данным Асарова Х. К. (1976), при известковании отрицательное влияние на плодородие кальция и высоких значений pH обусловлены нарушением отношения Ca/Mgповышение pH тормозит поступление в растения Р2О5, Си, В, S.
Как отмечается Кораблевой Л. И. (1981), в районах Нечерноземья дефицит калия ухудшается при известковании, в связи с антагонизмом К и Ca. Установлено, что почвы обладают неблагоприятными свойствами при широком отношении в почвенном растворе магния и кальция, которое достигает для почв 5−23 (Veldkamp W.J., 1981).
Неблагоприятное действие несбалансированного применения минеральных удобрений на растения.
Несбалансированное применение минеральных удобрений под картофель, в ряде случаев, приводит к уменьшению крахмалистости клубней. По данным, полученным на дерново-подзолистых почвах Московской области, минеральные удобрения снижали крахмалистость по всем сортам и во все годы исследования (Почвы Московской области, 2002). По данным, полученным на слабоподзолистой среднеокультуренной песчаной почве, при увеличении нормы азота под рожь сорта «Крупнозернистая» от 60 до 90 кг/га на фоне Р70К60 + 20 т торфонавозного компоста при запашке люпина повышалось содержание сырого белка, но снижалась его биологическая ценность, ухудшались хлебопекарные качества.
Увеличение нормы калийных удобрений сопровождается изменением химического состава растений и почвы. Многолетнее внесение Кш на дерново-подзолистой почве Московской области на фоне фосфорных удобрений увеличило в 3−5 раз (до 1−1,5% К20) содержание калия в корнях картофеля и при внесении сильвинита — до 3,4% содержание калия в клубнях. Применение сильвинита приводило к увеличению хлора в почве до 260 мг хлора на 1 кг и к увеличению его в клубнях картофеля в 5−6 раз (до 0,4−0,5%). При таких изменениях в растениях содержание обменного калия составляло не очень большую величину (20,4 мг/100 г почвы) (Почвы Московской области, 2002).
Таким образом, как очень низкое, так и очень высокое содержание любого компонента в системе вызывает ее нарушение и уменьшение биопродуктивности. При этом, уровень оптимума по любому из показателей зависит как от сочетания всех свойств почв, так и от внешних условий, уровня антропогенного воздействия.
VII. ВЫВОДЫ.
1. Предлагается оценка негативного действия несбалансированных систем удобрений по показателям устойчивости почв к этому виду деградации, по степени проявления негативного влияния, по возможностям восстановления нарушенных функций почв.
2. На изученных почвах при высоких дозах внесения удобрений в почву, а также вблизи гранул их внесения существенно изменяются свойства почв, подвижность элементов.
На изученных дерново-подзолистых среднесуглинистых почвах внесение в них (NH4)2S04, NH4NO3 вызывало подкисление, повышение подвижности железа, алюминия, марганца, цинка, кальция, магния, калия. Негативное влияние на почву отмечалось уже при дозах 200−500 кг д. в-ва на 1 га и вблизи гранул внесения удобрений.
На изученных почвах внесение в них KCl, K2S04 приводило к изменению отношения подвижных форм Са: К, к подкислению почв, к увеличению подвижности катионов, гумуса, к ухудшению водно-физических свойств почв, их водопроницаемости. Негативное влияние на почву отмечалось при доле калия в ПИК более 5% от емкости поглощения.
Негативное влияние повышенных доз фосфорных удобрений отмечалось на изученных почвах в уменьшении подвижных форм меди, никеля, цинка, марганца, кобальта и отмечалось при дозе фосфорных удобрений более 500 кг действующего вещества на 1 га и вблизи гранул внесения удобрений. Негативное влияние несбалансированного применения NPK на свойства почв зависит от сопутствующих катионов и анионов, связанных в удобрениях с NPK.
3. Предлагается оценка буферных свойств почв по отношению к элементам питания по данным взаимодействия почв с разными дозами и формами удобрений в модельных опытах.
4. Установлено, что буферная емкость почв в отношении элементов питания выше на более окультуренных почвах, меньше при большей насыщенности почв вносимыми элементами, в интервалах меньших доз удобрений.
Буферная емкость выше при ее вычислении для водо-растворимых форм и ниже — для подвижных форм, выше для полевых условий и ниже для модельных опытоввыше для растертых образцов и ниже для почв ненарушенного сложения.
Для изменения содержания подвижных форм азота, фосфора, калия в почве на 1 мг на 100 г почв требуется внесение в среднем около 100 кг д.в. КРК на 1 га при варьировании величин в зависимости от указанных выше факторов от 15 до 300.
Буферная емкость почв по отношению к элементам питания зависит от сопутствующих катионов и анионов, связанных в удобрениях с КГРК.
5. Предлагается оценка способности почв к поддержанию концентрации ионов в почвенном растворе при их отчуждении с урожаем (возобновляющей способности почв) с использованием последовательной десорбции ионов из твердой фазы Н20 и 0,2н НС1 до 7,5 л на 100 г почв.
6. Возобновляющая способность почв является одной из причин временной стабилизации содержания подвижных форм элементов при выращивании растений без применения удобрений. Возобновляющая способность почв выше в почвах более гумусированных, с большей емкостью поглощения, более тяжелого гранулометрического состава, более окультуренных и удобренных исследуемыми элементами.
