Согласно нашим исследованиям органические удобрения лучше, чем минеральные улучшают структурное состояние чернозема. Величина коэффициента структурности возрастает. В данном случае это наглядно видно на варианте внесения 16 т органических удобрений в виде полуперепревшего навоза на гектар севооборотной площади.

Однако, как свидетельствуют данные опытов, структура почвы улучшается лучше всего при совместном внесении органических и минеральных удобрений. При органо-минеральной системе удобрения в верхнем слое обрабатываемой почвы показатели коэффициента структурности наибольшие и достигали порядка 3,6-4,6 ед. Причем лучшие показатели отмечены в зернотравянопропашном севообороте и при минимальной обработке почвы. Более того, в таком сочетании изучаемых вариантов агрегатов комковато-зернистой структуры содержится больше и в подпахотном слое. Об этом свидетельствуют высокие показатели коэффициентов структурности, равные 5,4-5,7 ед.

Как нами было ранее показано, структурный состав почвы связан с плотностью сложения. В описываемом опыте изучали плотность почвы, которую определяли после уборки культур. Ее величина в этот период соответствует равновесной плотности.

Исходные величины плотности чернозема типичного на момент закладки опыта, перед вхождением в севооборот (1988 год) составили по слоям: 0-10 см - 1,15-1,26 г/см³; 10-20 см - 1,18-1,28; 20-30 см - 1, 19-1,36 и 30-40 см - 1,16-1,25 г/см ³.

Через 15 лет проведения опыта в зернотравяном севообороте при минимальной обработке почвы на неудобренных вариантах произошло уплотнение пахотного горизонта на 0,03-0,11 г/см^{3 (}табл.4.5). На глубине 20-30 см плотность достигла даже 1,36 г/см³. В пропашных севооборотах почва уплотнялась на меньшую величину. Разница в величине плотности сложения почвы весной и в конце лета по нашим данным колеблется в пределах 0, 20-0,25 г/см³.

Таблица 4.5 Плотность чернозема типичного в 1988 году (над чертой) и после третьей ротации севооборотов в 2003 году (под чертой), г/см³

В* - вспашка, Б - безотвальная обработка; М - минимальная обработка.

Данные свидетельствуют, что удобрения способствуют разуплотнению пахотного горизонта почвы, снижению показателя плотности на 0,02-0,19 г/см³. Это заметно как при внесении одних минеральных удобрений, так, и совместно с органическими. Наименьшие величины плотности отмечаются в слоях почвы 0-10 см с внесением навоза по 16 т/га севооборотной площади при безотвальной обработке почвы. В этом случае величины плотности в зависимости от севооборотов составили: 1,04 г/см³ в зернотравяном и 1,09 г/см³ в зернопропашном, т.е. они соответствовали плотности целинной почвы.

В процессе проведения опытов было установлено, что постоянная вспашка на глубину 26-28 см с одновременным внесением минеральных удобрений способствует формированию плужной подошвы. Об этом свидетельствуют данные увеличения плотности почвы в нижней части обрабатываемого слоя до величины 1,30-1,35 г/см³. Примечательно, что в подпахотном слое, на глубине 30-40 см, т.е. в нетронутом плугом слое плотность почвы была наименьшей. Здесь, при наличии значительного количества агрономически ценной комковато-зернистой структуры, плотность колеблется в пределах 1,14-1,20 г/см³ на всех изученных вариантах опыта при разных способах основной обработки почвы и видах удобрений.

В лесостепи лимитирующим показателем формирования высокой продуктивности возделываемых культур является наличие в почве достаточного количества влаги. Влага определяет направленность и характер многих почвенных процессов, в том числе и плодородие, от неё зависит эффективность удобрений и другие факторы интенсификации земледелия. В обеспечении растений доступной влагой можно судить по полной полевой влагоемкости почвы.

Как свидетельствуют результаты проведенного опыта, среди испытанных приемов только удобрения способствуют улучшению влагообеспеченности. Так, на вариантах без удобрений влажность в метровом слое почвы составила в зависимости от севооборота 26,7-28,5 %. Внесение навоза по 16 т/га севооборотной площади повышало влажность почвы на 0,5-0,8 %, а при совместном внесении минеральных и органических удобрений примерно на 2 %.

Из представленного эксперимента следует, что для поддержания пахотных почв в хорошем агрофизическом состоянии необходимо соблюдать основополагающие принципы экологического земледелия.

Следует считать, что стабилизирующим фактором структурообразования почвы является наличие достаточного количества в ней органического вещества - гумуса, поглощенных кальция и магния, илисто-коллоидных минеральных частиц и клееобразных продуктов жизнедеятельности микроорганизмов. Именно чрезмерное уплотнение почвы, уменьшение в пахотном слое содержания гумуса, потеря кальция, обеднение механического состава коллоидной фракцией, снижение биологической активности приводят к ухудшению структуры и других агрофизических свойств.

Сильное оструктуривающее влияние на почву оказывают многолетние травы. За счет ежегодного поступления свежего органического вещества созданная под травянистым покровом структура сохраняется в течение ряда лет и только со временем, при использовании в севообороте пропашных культур, утрачивает свою водопрочность.

Минеральные удобрения по нашим многолетним данным также стабилизируют структурный состав чернозёмов. Ухудшение структурного состояния под влиянием удобрений наблюдается лишь в первые годы, а в последующем отмечается тенденция к его улучшению. Следовательно, необходимо систематическое применение минеральных и особенно органических удобрений (не менее 8 т навоза на гектар севооборотной площади), оставление пожнивных остатков с созданием на поверхности почвы мульчирующего слоя. На смытых почвах следует внедрять зернотравяные севообороты, а многолетние травы должны составлять не менее 25 % площади.

Мероприятия по улучшению агрофизических свойств почвы включают также минимализации почвообработки. Это замена вспашки поверхностной обработкой, а в некоторых случаях и нулевой. Эффективно применение совмещенных агротехнологических операций, уменьшение числа междурядных обработок в посевах пропашных культур, улучшение организации выполнения механизированных полевых работ и др.

Большие резервы в улучшении агрофизических свойств почв заложены в принципах биологизации земледелия, направленного на внесение органических удобрений, щадящих нормах минеральных, расширении посевных площадей многолетних бобовых трав, сидеральных пожнивных культур. В области ещё недопустимо мало используются местные кальцийсодержащие вещества (мел, дефекат).

Так или иначе, процесс ухудшения агрофизических свойств (структуры, плотности и др.) носит обратимый характер и может быть устранён. Агрофизические свойства почв можно восстановить на должном уровне, используя доступные и недорогие приемы агротехники.

Глава 5. Деградация химического состояния почв

5.1 Дегумификация пахотных почв

5.1.1 Причины дегумификации почв

Органическое вещество почв, как и его важнейшая часть - гумусовые компоненты, возникло и накопилось, как правило, в ходе почвообразования. Содержание гумуса, его состав и свойства гуминовых веществ, их распределение по почвенному профилю необходимо отнести к числу важнейших почвенных признаков. В то же время именно содержание гумуса и параметры многих почвенных органических соединений могут очень быстро реагировать на изменение условий почвообразования и антропогенные воздействия.

Наиболее заметно отмечается потеря гумуса, которую часто называют дегумификацией. Она является одной из важнейших причин снижения почвенного плодородия. При этом в почве остаются наиболее устойчивые к разложению компоненты гумуса, снижаются запасы и доступность для растений и микроорганизмов биогенных элементов - углерода, азота, серы, отчасти фосфора и др., входящих в состав органического вещества. По этой же причине снижается микробиологическая активность почв, в том числе и активность процессов трансформации соединений азота. Кроме того, изменяется структурное состояние почвы, она уплотняется, нарушается газообмен, снижается активность почвенной фауны и флоры, ухудшаются условия для произрастания сельскохозяйственных культур.

О масштабах снижения содержания гумуса в пахотных почвах в литературе имеется довольно много сведений и они продолжают поступать. В целом можно заключить по этим данным, что содержание гумуса изменяется наиболее интенсивно в первые 10-15 лет после распашки целины. В последующие годы этот процесс замедляется вследствие приближения к уровню стабилизации.

Гумусное состояние почв обусловлено как размерами поступления органического вещества в почвы, так и его трансформацией. Статья поступления органического вещества обусловлена размерами урожая, или ежегодно поступающих в почву растительных остатков. Она может быть существенной лишь при высоких урожаях культур (порядка 70 ц/га и более в зерновом эквиваленте).

Разложение поступающей биомассы по мнению Н.Ф. Ганжары (1988) имеет двухфазный характер. Сначала разлагаются белки, сахара, аминокислоты и другие лабильные вещества. Затем при смене микробных популяций разлагаются более устойчивые фрагменты. Поэтому недостаток лабильных веществ влечет неизбежную минерализацию органического вещества в целом. Именно поэтому внесение свежих растительных остатков препятствует деградации почвы в целом, поскольку способствует сохранению устойчивых гуминовых веществ.

На основе данных литературы и собственных исследований считаем необходимым выделить основные причины дегумификации почв:

· усиленная минерализация органического вещества пахотных почв, особенно при интенсивной обработке и низких урожаях;

· недостаточное поступление в почву корневых и пожнивных остатков, органических удобрений;

· ускорение минерализации вносимых в почвы органических удобрений;

· потери органических веществ в результате развития эрозии и дефляции.

В отдельных случаях называют такие причины, как отчуждение части пахотного слоя почвы при уборке урожая. Ускоренная минерализация органического вещества почв может проявляться при регулировании водного режима и при некоторых химических мелиорациях.

При изложении такой важной темы, как дегумификация почв, мы считаем необходимым, затронуть методическую сторону вопроса. Дело в том, что при интерпретации данных по содержанию гумуса в почвах возникают кажущиеся потери гумуса. Они связаны или с несовершенством техники отбора образцов, или использованием несопоставимых данных анализа, полученных разными методами.

В связи с этим необходимо руководствоваться следующими методическими положениями. Во-первых, образцы на анализ должны быть отобраны каждый раз строго в одной точке, анализировать нужно индивидуальные, но не смешанные пробы. Во-вторых, следует проводить анализ сравниваемых проб одними методами. Иначе результаты будут сильно искажены в сторону снижения или увеличения.

5.1.2 Критерии и параметры допустимых антропогенных нагрузок на гумусное состояние почв

В настоящий момент еще не выработана строгая концепция направленного регулирования гумусного состояния почв. Исходными позициями должны быть сохранность и повышение устойчивости почв и возможности обеспечения накопления гумуса в почвах. В связи с этим целесообразно установить предельный уровень, до которого снижение содержания гумуса в почве при данной системе ее использования будет оставаться в пределах, приемлемых для ведения интенсивного, экологически безопасного земледелия. В качестве таких критериев могут служить, по мнению некоторых авторов, оптимальный и критический уровни содержания гумуса в почвах. По мнению В.И. Кирюшина (2000) за нижний предел необходимо принимать показатель критического его содержания, а верхний определяется экономической и экологической целесообразностью.

Основным критерием допустимых антропоненных нагрузок на почву является уравновешенное или близкое к нему соотношение между процессами минерализации и гумификации органического вещества в почве.

Специалисты ВНИИ земледелия и защиты почв от эрозии разработали оценку направленности и степень трансформации органического вещества по значению баланса гумуса (табл.5.1).

По этим данным наглядно видно в каком случае проявляются положительные и отрицательные антропогенные нагрузки. Выделена градация, указывающая на равновесное состояние процессов минерализации и гумификации органического вещества. По расчету баланса гумуса мы можем установить на текущий период состояние этих процессов с тем, чтобы разработать мероприятия по их регулирования.

Таблица 5.1 Оценка направленности и степень трансформации органического вещества в почве (Черкасов и др., 2005)

Для черноземных почв Центрально-Черноземного региона разработаны критерии антропогенных нагрузок по содержанию органического вещества (Шишов и Когут, 2004). Установлено 3 уровня антропогенных нагрузок: допустимые, умеренно допустимые и недопустимые (табл.5.2). Как следует из приведенных данных, недопустимыми для антропогенных воздействий являются почвы с гумусированностью меньше минимального, умеренно допустимыми - слабогумусированные, а допустимыми - средне - и сильногумусированные. На слабогумусированных почвах велика вероятность резкого снижения восстановительных способностей почвы при антропогенных негативных нагрузках.

Таблица 5.2 Степень гумусированности пахотного слоя черноземов ЦЧР (%) как критерий антропогенных нагрузок (Шишов и Когут, 2004).

*) Примечание: А - песчаные и супесчаные; В - легко - и среднесуглинистые; С - тяжелосуглинистые и глинистые

Для почв Белгородской области разработаны оптимальные параметры гумусного состояния, что также может служить основой для выбора антропогенных воздействий без резкого снижения их плодородия (табл.5.3). В таблице представлены данные по содержанию гумуса в темно-серых лесных почвах и черноземах. Наибольшее содержание гумуса как оптимальный параметр должны иметь черноземы типичные несмытые и черноземы выщелоченные. Естественно, что степень эрозии снижает содержание гумуса, но и для таких почв указаны параметры. Черноземы обыкновенные степной части области должны иметь оптимальные параметры не менее 5,8 %. Авторы также приводят данные по балансу гумуса, который необходимо иметь на уровне не ниже нулевой отметки.

Таблица 5.3 Оптимальные параметры гумусного состояния пахотного слоя почв Белгородской области (Черкасов и др., 2005)

5.1.3 Гумусное состояние почв при сельскохозяйственном использовании

На территории Белгородской области, в Губкинском районе нами проведены исследования содержания общего гумуса в черноземе типичном мощном тяжелосуглинистом целинного заповедника "Ямская степь" и многолетней пашни. Результаты свидетельствуют, что в пахотном слое пашни содержание гумуса меньше на 4,1 абсолютных процента (табл.5.4).

Чернозем целины следует считать по известной классификации содержания гумуса тучным, а его пахотный аналог - среднегумусным. Тенденция снижения содержания гумуса на пашне наблюдается и в слое 60-70 см, хотя она выражена здесь меньше. Этот пример наглядно демонстрирует общую картину изменения гумуса под влиянием длительного сельскохозяйственного использования.

Таблица 5.4 Физико-химические свойства и агрохимические показатели чернозема типичного мощного тяжелосуглинистого целинного заповедника "Ямская степь" и многолетней пашни

Далее, мы воспользовались материалами государственного центра агрохимической службы "Белгородский", специалисты которого периодически в 5 лет ведут контроль за содержанием гумуса в почвах производственных полей сельскохозяйственных предприятий области.

Поскольку сама методика исключает точность отбора почвенных образцов для анализа каждый раз в строго отмеченном пункте, то полученные данные дают приблизительное представление о динамике содержания гумуса.

Результаты свидетельствуют, что в настоящее время средневзвешенное содержание гумуса в пахотных почвах области составляет 4,9 %. (табл.5.5). За 20-летний период (1984 - 2004 гг.) площадь пашни с повышенным содержанием гумуса сократилась с 14,8 до 7,1 %, т.е. почти в два раза. При этом площадь пашни с низким и средним содержанием гумуса увеличилась.

Таблица 5.5 Распределение почв пашни Белгородской области по содержанию гумуса, % площади (Авраменко, Лукин, 2005)

В разрезе административных районов низкое содержание гумуса имеют пахотные земли Старооскольского, Чернянского и Новооскольского районов. Среднее содержание гумуса в пахотном горизонте почв этих районов составляет 4,3-4,5 %. Объясняется это тем, что здесь в пашне присутствует большая доля серых лесостепных почв, лёгких супесчаных и песчаных почв, которые генетически содержат малое содержание гумуса. Более того, более половины площади занимают смытые почвы.

Лучше гумусированы пахотные земли Прохоровского, Губкинского, Вейделевского и Ровеньского районов, где содержание гумуса на пашне изменяется в пределах 5,2-5,6 %.

При длительном земледельческом использовании, без достаточного внесения органических удобрений и травосеяния почвы интенсивно подвергаются минерализации органической части, проявляется процесс дегумификации. Они теряют в первую очередь легкоподвижные формы, а также запасы внутрипочвенной энергии, азота и фосфора. В дальнейшем это приводит к снижению элементов питания, ухудшению физико-химических и физических свойств. Пахотный слой почв обесструктуривается, уплотняется. При этом ухудшаются условия жизнедеятельности почвенной фауны и микрофлоры, снижается плодородие почв, и, как следствие, урожайность сельскохозяйственных культур.

Процесс дегумификации пахотного слоя почв усилился в последние десятилетия в связи с реорганизацией хозяйств, изменением их собственности, нарушением системы севооборотов, увеличением процессов эрозии почв, ростом удельного веса пропашных культур в структуре посевных площадей, недостаточным внесением минеральных и органических удобрений. Об этом свидетельствуют данные содержания гумуса по материалам двух туров крупномасштабного почвенного обследования, проводимые в 1950-1965 и 1970-1985 годах. В эти временные периоды распашка земель в области достигла предельных значений и резко возросла насыщенность севооборотов пропашными культурами.

В первом туре обследования среднее содержание гумуса в пахотном горизонте тёмно-серых лесных несмытых почв на площади в 35,5 тыс. га составляло 4,6 %. Через 20 лет среднее содержание гумуса на этой территории снизилось до 3,7 %, то есть на 0,9 %. Запас общего гумуса снизился на 24,75 т/га.

Чернозёмы типичные и выщелоченные за рассматриваемый период потеряли в пахотном слое от 0,4 до 0,6 % гумуса, а запас его сократился на 11-16,5 т/га. У чернозёмов обыкновенных и карбонатных среднемощных легкоглинистых и тяжелосуглинистых содержание гумуса уменьшилось с 6,7 до 5,7 % или в переводе на запасы - 27,5 т/га.

Сравнение материалов первого и второго туров крупномасштабного почвенного обследования показало, что общие потери гумуса в пахотном горизонте почв области на площади 619,9 тыс. га составили 10595 тыс. т, или 9,5 % от исходного запаса. Дегумификация наиболее интенсивно проявлялась на бедных гумусом тёмно-серых лесостепных почвах и усиленно в обрабатываемых чернозёмах обыкновенных. Последние потеряли в пахотном горизонте около 15 % запасов гумуса. В то же время чернозёмы выщелоченные и типичные потеряли за обозначенный период от 7 до 10 % своих исходных запасов.

На территории области практически исчезли тучные черноземы, содержащие в верхнем слое более 9 % гумуса. Они сохранились только на целинных землях, как например, заповедный участок "Ямская степь". В то же время широкое распространение получили малогумусные черноземы (4-6 % гумуса).

В дальнейшем необходим контроль за содержанием гумуса в почвах известными методами. В частности можно использовать балансовый метод, который позволяет учитывать расходную и приходную части по каждой культуре севооборота. Расходную часть составляет содержание гумуса в почве и коэффициент минерализации, зависимый от возделываемой культуры. Суммируя величины расходной части гумуса под каждой культурой, получаем величину минерализации гумуса всего севооборота.

Приходная часть баланса гумуса представляет произведение урожайности основной продукции сельскохозяйственной культуры (т/га) на коэффициенты пожнивных остатков (корневых и растительных) и их гумификации (табл.5.6).

Таблица 5.6 Коэффициенты накопления, гумификации и минерализации растительных остатков сельскохозяйственных культур

Баланс гумуса в севообороте определяется по разнице между расходной и приходной частью. В случае отрицательного баланса рассчитывают количество навоза, необходимое для бездефицитного содержания гумуса в почве. При этом условно принимают, что из 10 т навоза в почве образуется примерно 1 т гумуса.

Нами рассчитан баланс гумуса по группам выращиваемых культур с учетом их посевной площади, равной 1337,2 тыс. га (табл.5.7). Как следует из представленных данных, баланс в данное время отрицательный. На всю посевную площадь он составляет значительную величину. В пересчете на гектар пашни баланс равен: - 863,4/1337,2 = - 0,645 т или - 645 т/га.

Таблица 5.7 Баланс гумуса в почвах Белгородской области в среднем за 2006-2008 гг., тыс. т.

Для создания бездефицитного баланса гумуса необходимо вносить ежегодно не менее 6,5 т/га навоза. Напомним, что в настоящее время на 1 га посевной площади вносится около 2,5 т., учитывая животноводческие стоки и птичий помет в пересчете на полуперепревший подстилочный навоз КРС.

5.1.4 Приемы регулирования гумусного состояния почв

Естественно, что дальнейшее использование почв области невозможно без мероприятий, направленных на сокращение потерь гумуса, прекращении дегумификации как деструктивного процесса, всемерном сохранении и повышении плодородия почв. В условиях возросшей потребности в продуктах питания, обеспечения продовольственной и экологической безопасности государства сохранение содержания и запасов органического вещества в почвах приобретает исключительное значение.

С целью сохранения и повышения содержания гумуса в почвах необходимо существенно уменьшить процессы эрозии почв, минерализации гумуса. Огромные потери гумуса в почвах области происходят от эрозии почв. Для снижения её отрицательного влияния необходимо применять весь комплекс противоэрозионных мероприятий. Сокращение темпов минерализации гумуса происходит при внедрении адаптивно-ландшафтной системы земледелия. Эту систему необходимо дополнять внедрением научно обоснованных севооборотов, внесением удобрений и в первую очередь органических. К ним следует отнести навоз, отходы животноводческой продукции (животноводческие стоки), солому, компосты, посев многолетних бобовых трав. Также необходимо применение почвозащитных обработок почвы, вводить в севообороты сидеральные пары, практиковать промежуточные и поукосные посевы культур с последующей их запашкой.

Научными учреждениями области разработан целый ряд мероприятий и приемов по стабилизации органического вещества в почвах. Использованы также и результаты многолетних стационарных исследований, полученные в Белгородском НИИСХ.

По этим данным в черноземе типичном тяжелосуглинистом за две ротации севооборотов (10 лет) произошли изменения в показателях содержания гумуса. В зернотравянопропашном севообороте, где в структуре посевных площадей 40 % было занято эспарцетом, на вариантах с удобрениями и без них наблюдается положительный баланс гумуса (табл.5.8). Отрицательные величины содержания гумуса в таблице выделены.

Таблица 5.8 Изменение содержания гумуса в пахотном слое почвы за две ротации севооборота в зависимости от изучаемых факторов, в % к исходной величине

*В - вспашка; Б - безотвальная обработка; М - минимальная обработка

**1 доза в зернотравянопропашном севообороте равна N₄₂P₆₂K₆₂, зернопропашном - N₆₂P₆₂K₆₂, зернопаропропашном - N₅₂P₆₂K₆₂ кг/га д. в.

Содержание гумуса увеличилось на 0,10-0,32 абсолютных процента по отношению к исходному состоянию (перед закладкой опыта). Особенно положительное влияние на накопление гумуса оказал зернотравянопропашной севооборот. Увеличение содержания гумуса здесь составило 0,18-0,19 %.

Удобрения положительно влияли на содержание гумуса. Под влиянием минеральных оно увеличилось на 0,12-0,25 %. Однако, внесение навоза в дозах 8 и 16 т/га севооборотной площади способствует большему накоплению органического вещества в почве. В условиях опыта увеличение его достигло 0,18-0,26 %. Еще больший эффект наблюдался при совместном внесении органических и минеральных удобрений, где увеличение гумуса за две ротации севооборота составило 0,22-0,32 %.

В зернопропашном и зернопаропропашном севооборотах, где в структуре посевных площадей нет многолетних бобовых трав и на вариантах опыта, где не вносили навоз, общее содержание гумуса снизилось на 0,06-0,28 %. Однако, меньшее снижение наблюдалось при минимальной обработке почвы, а большее - с внесением минеральных удобрений.

На варианте внесения навоза в количестве 8 т/га севооборотной площади в зернопропашном севообороте происходит стабилизация органического вещества в почве. Содержание его увеличивается только на 0,07-0,13 %. В тоже время в зернопаропропашном севообороте зафиксировано его снижение на 0,03-0,11 %. И только внесение 16 т навоза на гектар севооборотной площади заметно увеличивает содержание гумуса (на 0,07-0,09 %). Совместное внесение минеральных и органических удобрений в пропашных севооборотах тоже способствует накоплению гумуса в почве. Содержание его увеличивается на 0,11-0,25 %, однако в зернопаропропашном севообороте - на меньшую величину.

Приведённые данные убедительно доказывают необходимость принятия мер по сокращению потерь гумуса, пополнения его запасов в почвах области. Повышение содержания гумуса в биологически активном структурном пахотном слое - это важнейшая задача, без решения которой немыслимо повышение плодородия почв, урожайности сельскохозяйственных культур.

5.2 Деградации химических свойств почв

5.2.1 Обеспеченность почв элементами питания

Деградация химических свойств почв, как правило, связана с применением средств химизации земледелия. В историческом аспекте земледелия области можно выделить периоды начальной, интенсивной и недостаточной химизации. Отправным моментом химизации полей считается средина 60-х годов прошлого столетия, когда удобрения рассматривались как позитивный прием с точки зрения повышения урожайности культур и качества продукции и когда вопросы деградации почв не рассматривались или особого внимания к проблеме не было. В 70-80-е годы, в период интенсивной химизации рассматривался круг проблем, связанных с негативным воздействием высоких доз минеральных удобрений в основном на изменение кислотно-основных свойств почв и непроизводительные потери питательных веществ удобрений из корнеобитаемого слоя растений, что и вызывало загрязнение грунтовых и поверхностных вод. Во второй половине 90-х годов при недостаточном внесении традиционных удобрений и извести происходила замена их нетрадиционными (отходы производства). В настоящее время снижается плодородие почв из-за недостаточного внесения удобрений и прекращения программы комплексной мелиорации земель.

Чтобы представить проблему, связанную с деградацией почв вследствие применения или не применения минеральных и органических удобрений и оценить степень их негативного воздействия на свойства почвы, необходимо рассмотреть интенсивность применения удобрений. Динамика применения удобрений в хозяйствах области нами была представлена в 1 главе, из которой следует, что в последние годы уровень внесения удобрений особенно органических крайне низкий.

Применение удобрений заметно повышает плодородие почв и урожайность сельскохозяйственных культур. На территории области наибольшее количество удобрений было применено в период IV цикла агрохимического обследования (1984-1989 гг.). В это время вносили минеральных удобрений - 164 кг д. в. /га, а органических - 5,8 т/га пашни. Кроме того, проводились работы по химической мелиорации земель. В этот период было произвестковано 198 тыс. га почв с кислой реакцией среды. В результате именно на период IV цикла агрохимического обследования приходится наибольшая урожайность сельскохозяйственных культур. Для озимой пшеницы она составила 3,0 т/га, сахарной свеклы - 25,8; кукурузы на силос 27,5 т/га. Через десять лет (VI цикл) внесение минеральных удобрений на гектар пашни снизилось в 4,3 раза - (вносили 38 кг/га), органических - в 2,5 раза (2,4 т/га), произвестковано всего лишь 32 тыс. га. Урожайность культур в этот период была наименьшей и составила соответственно: 2,24; 16,8 и 16,2 т/га (Авраменко, Лукин, 2001).

Мы располагаем возможностью сравнить наличие основных питательных элементов в черноземе типичном целинного заповедника "Ямская степь" и многолетней пашни. По содержанию их сравниваемые объекты различаются. Как правило, для растений питательный режим более предпочителен в целинном варианте. Более заметны различия по содержанию легкогидролизуемого азота в слое 20-30 см. На пашне оно снижено на 5.4 мг на 100 г почвы и по известной градации относится к низкой степени обеспеченности. В черноземе целины обеспеченность этой формой азота средняя (табл.5.1). По содержанию подвижных форм фосфора и калия сравниваемые почвы мало отличаются по всему анализируемому профилю, хотя преимущество остается за почвой целины. Однако, обеспеченность фосфором укладывается в одну градацию - среднюю, а по калию - высокую.

Благодаря систематическому агрохимическому обследованию пахотных почв области имеется возможность проследить динамику обеспеченности элементами питания. Обследование пахотных почв области на содержание легкогидролизуемого азота начали проводиться с 1984 года. Данные свидетельствуют, что к 2004 году площади почв с очень низкой и низкой степенью обеспеченности уменьшились (табл.5.6). В целом по области почвы с низким и очень низким содержанием легкогидролизуемой формы азота занимают 30 % всей площади пашни или около 500 тыс. га. Это означает, что для получения высоких и стабильных урожаев сельскохозяйственных культур каждый третий гектар пашни нуждается в повышении содержания азота до среднего и повышенного уровней. Одновременно наблюдается увеличение доли почв со средней обеспеченностью и сокращение площади почв с повышенным содержанием азота. Поэтому в настоящее время четко прослеживается наибольшая экономическая эффективность от внесения именно азотных удобрений.

Таблица 5.6 Распределение почв пашни по содержанию легкогидролизуемого азота, % (Авраменко, 2006)

Черноземные почвы области содержат значительное количество валовых форм фосфора и калия. Количество фосфора доходит до 0,25 %, а калия до 2,23 % (Щербаков, Васенев, 1996).

Данные по содержанию подвижных форм фосфора и калия представлены по пятилетним циклам, начиная с 1964 и заканчивая 2004-м годом (табл.5.7, 5.8). В целом, судя по содержанию данных элементов, питательный режим почв области за отмеченный промежуток времени заметно улучшился. Средневзвешенное значение подвижного фосфора в почвах за сорокалетний период времени возросло с 55 до 121 мг, а калия со 105 до 122 мг/кг почвы. Увеличились площади почв с повышенным (на 26,4 %), высоким (12,5 %) и очень высоким (9,9 %) содержанием подвижного фосфора, уменьшились площади с очень низким (на 6,8 %) и низким (41,1 %) содержанием.

Таблица 5.7 Распределение почв пашни по содержанию подвижного фосфора, % (Авраменко, Лукин, 2006)

Изменение площадей почв с разным содержанием обменного калия менее значительные, чем подвижного фосфора - возросли площади с очень высоким содержанием на 6,0 % и уменьшились с низким на 4,5 % и средним (6,5%) содержанием. В целом можно заключить, что преобладают почвы со средним и повышенным содержанием подвижного фосфора - 69,1 %, а также площади пашни с повышенным и высоким содержанием обменного калия 74,3 %.

Основные потери фосфора и калия происходят в результате эрозии почв. На территории области ежегодно при смыве теряется 4,9-9,5 тыс. т фосфора, 37,2-43,2 тыс. т калия (Здоровцов, Мясоедов, 1990 и др.).

Таблица 5.8 Распределение почв пашни по содержанию обменного калия, % (Авраменко, Лукин, 2006).

На увеличение в почве содержания подвижных фосфора и калия влияет внесение соответствующих удобрений, повышение гидролитической кислотности (Щербаков, Васенев, 1996), расширение посевов многолетних бобовых трав. Все это способствует трансформации элементов из трудноусвояемых для питания растений форм в подвижные, легкоусвояемые.

Содержание элементов питания в почвах по районам области неравномерное. Высокое содержание подвижного фосфора (152-162 мг/кг) наблюдается в почвах Грайворонского, Белгородского, Ивнянского, Краснояружского районов, а меньшее (86-96 мг/кг почвы) - в Вейделевском, Ровеньском и Старооскольском районах. Более высокая обеспеченность калием характерна для почв тяжелого гранулометрического состава - глинистых и тяжелосуглинистых.

Средневзвешенные величины подвижных форм элементов указывают на их динамику за многолетний период времени. Так, содержание подвижного фосфора, начиная с 1964 года, систематически увеличивалось и в VI цикле обследования приблизилось к оптимальной величине - 131 мг/кг почвы. Однако, в VII цикле (2000-2004 годы) впервые зафиксировано снижение его содержания на 10 мг. Причина заключается в том, что баланс фосфора в земледелии области за последние годы стал отрицательным. Если в 1984-1994 годы поступление фосфора с удобрениями было примерно в два раза больше его выноса с урожаем и потерь из-за эрозии, то в 2000-2004 годах его поступало в почву в два раза меньше, чем отчуждалось.

Средневзвешенное содержание обменного калия в почвах области в течение 1984-1999 годов было на уровне 126-130 мг/кг, т.е. относительно стабильным и являлось оптимальной величиной для большинства сельскохозяйственных культур. При агрохимическом обследовании в 2000-2004 годах наблюдается снижение содержания обменного калия до 122 мг/кг почвы. Причиной тому явилось резкое уменьшение внесения его в почвы с удобрениями.

На территории области еще встречаются хозяйства, где мало вносят удобрений, где низкая общая культура земледелия. Почвы здесь истощены основными элементами питания, содержание которых находится на уровне ниже среднего. Условия питания культурных растений осложнены, что и приводит к получению низких урожаев сельскохозяйственных культур, в пределах 20 ц/га зерна.

В то же время известно, что в европейских западных государствах урожайность зерновых 30 ц/га является уже признаком банкротства землепользователя. Низкие урожаи сельскохозяйственных культур обусловлены многими причинами и основной из них является истощение почв доступными элементами питания, общее снижение плодородия. При производственном использовании удобрений на получение планируемого урожая нужно исходить из уровня плодородия конкретного земельного участка и биологических особенностей возделываемых сельскохозяйственных культур. Детальную картину излагаемой проблемы можно представить по данным расчета баланса основных питательных элементов в почвах области. Такие расчеты нами сделаны (табл.5.9).

Таблица 5.9 Баланс основных элементов питания в почвах области за 2006-2008 годы

Данные свидетельствуют, что в настоящее время в пашне сложился отрицательный баланс всех трех питательных элементов. Больший дефицит баланса наблюдается по фосфору. Из всего следует, что из-за недостатка поступления элементов питания в почву с удобрениями, продолжается дальнейшее использование почвенных запасов, что усиливает деградацию.

5.2.2 Состав обменных катионов и кислотно-основные свойства почв

Применение минеральных удобрений связано с такими видами химической деградации, как выщелачивание оснований из почвенно-поглощающего комплекса, подкисление почвенного раствора и др. Степень кислотности почв является главным и ведущим показателем этого неблагоприятного свойства почв. Но за показателем рН стоит ряд других важных свойств почвы, находящихся в тесной взаимосвязи с величиной рН. Эти свойства почвы отражают ее физико-химический режим и, в первую очередь, состояние почвенного поглощающего комплекса (ППК).

Основой плодородия любой почвы, а для черноземов еще больше, является наличие в поглощенном состоянии кальция. Состав поглощающего комплекса почв характеризует такой показатель как ёмкость катионного обмена (ЕКО). С ней связана способность почвы удерживать в обменном состоянии катионы, в том числе и важные элементы питания (К⁺, NН₄⁺, Са²⁺, Мg²⁺ и др.). Ёмкостью катионного обмена обусловлена буферность почвы к изменению реакции среды. Состав поглощенных оснований определяет многие физико-химические и физические свойства почв. С ней также связывают устойчивость почв к антропогенным воздействиям, в частности к химическому загрязнению.

По емкости катионного обмена черноземы Белгородской области в целом устойчивы к антропогенному воздействию, так как только сумма кальция и магния в пахотном слое изменяется в пределах 33,2-41,1 ммоль на 100 г почвы. Немного отстают по этому показателю темно-серые лесные почвы. Однако следует знать, что ЕКО - величина переменная и при внесении в почву высоких норм физиологически кислых минеральных удобрений она сдвигается в неблагоприятную для культурных растений и полезных почвенных микроорганизмов сторону. Кроме того, в области имеются почвы с выраженной по своей химической природе кислой или щелочной реакциями среды. К числу первых относятся темно-серые, серые и светло-серые почвы и черноземы оподзоленные Лесостепи, ко вторым - солонцы и солонцеватые почвы Степи. Особыми свойствами обладают солоди и осолоделые почвы.

Анализируя состав поглощающего комплекса чернозема целины "Ямская степь") и пашни, можно заметить, что сельскохозяйственное использование приводит к появлению нежелательных физико-химических свойств. В черноземе целины все показатели поглощающего комплекса (сумма обменных оснований, содержание поглощенных кальция, магния и водорода, степень насыщенности основаниями) более предпочтительны, чем в пашне. Эта особенность химического состава почв прослеживается не только в верхнем слое 20-30 см, но и ниже по профилю.

Одним из основных факторов, влияющих на плодородие почв, является кислотность. Кислыми почвами считаются те, у которых обменная кислотность (рН_сол) меньше 5,5 единиц, гидролитическая кислотность свыше 3 ммоль на 100 г почвы, а степень насыщенности основаниями менее 90 %. Кислотность почв связана с ненасыщенностью их кальцием и повышенным содержанием иона водорода в почвенном растворе и почвенно-поглощающем комплексе.

У кислых почв заметно снижается плодородие и урожайность сельскохозяйственных культур. Особенно чувствительны к кислой реакции почвенной среды сахарная свёкла, люцерна. В сильной степени страдает от почвенной кислотности полезная микрофлора. К примеру, клубеньковые бактерии, поселяющиеся на корнях бобовых растений, в кислой среде теряют способность к фиксации азота атмосферы.

В кислых почвах снижается содержание гумуса и кальция, как основных факторов структурообразования. Это приводит к снижению водопроницаемости, влагоёмкости, т.е. ухудшению влагообеспеченности растений. Кроме того, в почвах с кислой реакцией чётко прослеживается разрушение структуры пахотного слоя. Она становится пылеватой с плотным сложением. На поверхности почвы после выпадения атмосферных осадков в виде дождей и подсыхания влаги образуется почвенная корка, мелкие трещины. Как следствие, усиливаются потери влаги из почвы, нарушается газообмен, требуются дополнительные затраты на её обработку. Все это, в конечном счете, приводит к снижению урожайности культур, не менее чем на 15-25 %.

Убыль кальция из почвы происходит не столько вследствие выноса его с урожаем, сколько в результате процесса выщелачивания. В почве постоянно присутствует углекислый газ (СО₂), который поступает из атмосферы в результате газообмена и при разложении органических веществ. При взаимодействии углекислого газа с почвенной влагой образуется углекислота (Н₂СО₃), которая легко диссоциирует на ионы Н⁺ и НСО₃^-. В результате повышается концентрация ионов водорода в растворе, почва подкисляется, происходит насыщение почвенно-поглощающего комплекса водородом с эквивалентным вытеснением кальция, т.е. уменьшением содержания его в почве.

Величина кислотности зависит от содержания в почве минеральных и органических кислот, растворимых в воде и в солевых растворах. Эту особенность используют для диагностики видов кислотности. В первом случае получаем актуальную кислотность, а во втором - обменную или ее составную часть - гидролитическую.

Почвами с повышенной кислотностью на территории области являются в первую очередь серые и темно-серые лесостепные почвы, чернозёмы оподзоленные, чернозёмы выщелоченные и меньше чернозёмы типичные. Чернозёмы обыкновенные, карбонатные, солонцеватые, остаточно-карбонатные меловые (юго-восточная часть области) имеют близкую к нейтральной, нейтральную или даже слабощелочную реакцию почвенной среды (рН_сол ~ 7,0).

Существует градация почв по реакции почвенной среды. При величине обменной кислотности, равной 4-4,5 реакция почвенной среды считается сильнокислой, 4,6-5,0 - среднекислой, 5,1-5,5 - слабокислой, 5,6-6,0 - близкой к нейтральной, 6,1-7,0 - нейтральной и 7,1-8,0 - слабощелочной.

Рост интенсификации земледелия, а в частном случае это применение физиологически кислых минеральных удобрений, а также природно-антропогенные факторы (кислотные дожди и пр.) приводят к подкислению почвенного раствора чернозёмов, нейтральных по природе. Но даже там, где не вносятся минеральные удобрения, или вносятся, но в малых дозах, также происходит подкисление почв. В данном случае проявляет скрытое действие усиливающийся процесс минерализации (разложения) органического вещества почвы. Высвобождающиеся при этом органические кислоты, особенно фульвокислоты, имеют явно выраженную кислотность (рН_сол= 2-3).

Результаты регулярных агрохимических обследований почв области свидетельствуют об увеличении их кислотности со временем (табл.5.10).

Таблица 5.10. Распределение почв пашни Белгородской области по степени кислотности, % (Лукин и др., 2006)

Из таблицы следует, что площади кислых почв пашни области за 25-летний период возросли на 13,6 % и занимают в настоящее время около 600 тыс. га. Среди них преобладают почвы, обладающие слабокислой реакцией (27,9 %). Это означает, что каждый третий гектар пашни имеет кислую реакцию почвенной среды и требует проведения химической мелиорации - известкования. Почв со среднекислой реакцией среды мало, всего 8,2 %. Кроме всего материалы свидетельствуют, что в сложившейся ситуации с кислотностью почв можно с уверенностью предположить отрицательную величину баланса кальция в земледелии области.