UDK 631.6 Сельскохозяйственная мелиорация
GRNTI 68.31 Сельскохозяйственная мелиорация
OKSO 35.00.00 Сельское, лесное и рыбное хозяйство
BBK 4 СЕЛЬСКОЕ И ЛЕСНОЕ ХОЗЯЙСТВО. СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫЕ И ЛЕСОХОЗЯЙСТВЕННЫЕ НАУКИ
TBK 5607 Сельскохозяйственная мелиорация
BISAC TEC003000 Agriculture / General
The change in humus reserves in the soil is characterized by the intensity of its removal from the soil, as well as accumulation. To quantify the dynamics of humus reserves in time and within the humus barrier formed in the soil, the humus balance equation is compiled. A negative balance is usually formed in soils with a low crop of agriculture. Virgin soils are characterized by a compen-sated or positive humus balance. The dynamics of the input and output items of the humus balance in the soil can be estimated by experimental or calculated methods based on the content of nitrogen or carbon in the soil. Modeling of the complex humus biogeochemical barrier and calculations of the long-term dynamics of the components of the humus balance in soils were carried out for the condi-tions of the experimental plots belonging to the Agrobiostation of Lomonosov Moscow State Universi-ty and located on the conjugated superqual, transalluvial and alluvial facies in the floodplain of the Klyazma River in the Moscow region, Solnechnogorsk district, near the village of Chashnikovo.
Formation and functioning of humus barriers, dynamics of humus reserves, labile part of hu-mus, fertility, compensated humus balance, fertility index.
Введение. Количество гумуса, интенсивность его накопления или расходования в почвах во времени, являются одними из важнейших показателей оценки плодородия почв, улучшения земель и качества проводимых мелиоративных мероприятий. Наличие гумусовых горизонтов в почвах, процессы образования, накопления или расходования гумуса в них, в контексте настоящей работы, позволяет говорить о формировании почвенного гумусового биогеохимического барьера.
Изучению процессов образования, накопления, расходования и трансформации органических веществ, гумуса, как основного природного источника биогенных элементов в почве на сельскохозяйственных землях, и в том числе при проведении мелиоративных мероприятий, посвящено большое количество работ отечественных и зарубежных исследователей:
Особый интерес представляет изучение формирования и функционирования гумусовых барьеров, которые образуется в почвах, расположенных на сопряжённых фациях в пределах одной ландшафтной катены. Такая постановка интересна тем, что генетически сопряжённые фации представляют собой единый комплексный латеральный гидрофизический барьер. Процессы влагопереноса в пределах которого, определяют водный, воздушный, тепловой, химический, пищевой режимы почв и существенно влияют на динамику запасов гумуса в почвах, а следовательно, и на плодородие почв.
Изменение запасов гумуса в почве характеризуется интенсивностью его выноса из почвы, а также накопления. Для количественной оценки динамики запасов гумуса во времени и в пределах формирующегося в почве гумусового барьера составляется уравнение баланса гумуса.
Источниками поступления гумуса в почвах агроландшафтов являются пожнивные остатки, органические удобрения, постмортальные остатки различных организмов, которые в результате сложных специфических для каждого из вариантов сочетания природных условий процессов физикохимикобиологической трансформации (гумификации), образуют вещество гумуса. Основным источником поступления гумуса на сельскохозяйственных землях являются органические удобрения, следовательно, анализ динамики составляющих баланса гумуса необходим для оценки потребности почв в органических удобрениях. Внесение же минеральных удобрений не увеличивает содержание гумуса в почве, а лишь снижает темпы его расходования, [2], [3], [4], [5].
Гумусовое вещество встроено во все цепочки взаимоотношений почвенных организмов (микроорганизмов, растений, грибов). Гумусовое вещество представлено гумусовыми кислотами, к которым относят гуминовые кислоты, гиматомелановые кислоты, фолиевые кислоты и их соединениями. По разным оценкам, в гумусе находится до 99% азота почвы, 60% фосфора, до 80% серы. Эти биогенные вещества становятся доступными для растения после растворения в почвенной влаге фульвокислот, входящих в состав гумуса и других веществ, растворимых и образованных в результате физикохимикобиологической дегумуфикации.
Интересно, что не все вещества входящие в состав гумуса участвуют в формировании плодородия почв агроландшафтов. В органическом веществе почв агроландшафтов [6] выделяют устойчивую инертную (консервативную) группу и неустойчивую легкоминерализуемую (лабильную) группу веществ. Это обстоятельство делает решение задачи оптимизации количества гумуса в почвах агроландшафтов более сложным, комплексным, и основанным на научно обоснованной системе взаимосвязанных мероприятий агрономического, мелиоративного, фертигационого характера в земледелии.
Именно лабильная форма гумуса подвержена биодеструкции, играет важнейшую роль поставщика биогенных веществ, стимулирующих продуцирование биомассы растений, и является естественным регулятором в системе отношений «почварастение» [7] [8].
В. И. Вернадский писал: «...на земной поверхности нет химической силы более постоянно действующей, а потому и более могущественной по своим конечным последствиям, чем живые организмы, взятые в целом». Это наиболее ярко проявляется в пределах гумусового барьера образующегося в почвах в процессе почвообразования.
Многочисленными исследованиями
Известно, что растения и грибы как часть почвенного симбиотического сообщества не только способствуют продуцированию микробиотой подвижных форм в почве
Расходование и трансформация изменения соотношения лабильной и консервативной части гумусового вещества в почве агроландшафта зависит также и от агротехнологий, фертигации, применения различных приёмов мелиорации. Так, например, согласно данным [10] миграция водорастворимых органических веществ из почвы, при известковании дерновоподзолистой супесчаной почвы с последующим изменением гидролитической кислотности почвы, а также изменении условий для функционирования почвенной симбионты, становится более интенсивной. Следовательно, лабильное вещество гумуса, в почвах разного генезиса в различных гидрохимических и что очевидно, гидротермических условиях, обладает различной доступностью для разложения микроорганизмами, но также неоднородно и с точки зрения податливости вымыванию. Этот интереснейший и сложный вопрос, безусловно, заслуживает внимания и требует дальнейшего изучения.
Расходование гумуса в почве происходит также в результате физического выноса неподвижной составляющей гумусового вещества в следствие эрозии или дефляции почвы и выноса подвижной составляющей гумусового вещества в грунтовые воды или подстилающие горизонты почвы с нисходящими потоками влаги при промывном водном режиме почв, а также дыхания почвы, т.е. выделения из почвы CO2.
Опыт и теория.
Можно записать уравнение баланса запасов гумуса в почве:
, (1)
где 
– изменение запасов гумуса в почве, происходящее за год, т; 
запасы гумуса в почве на конец года, т; 
запасы гумуса в почве на начало года, т; А ежегодное количество поступающих в почву пожнивных органических остатков, т/га; b коэффициенты гумификации растительных остатков; B – ежегодное расходование гумуса на формирование биомассы выращиваемых растений, т/га (количественно эта составляющая баланса гумуса определяется крайне сложно, поскольку чрезвычайно трудно дифференцировать поступление основных биогенных элементов в растения в зависимости от формы и состояния их в почве и выделить то количество веществ, т.е. того количества биогенов которое приходится именно на лабильную или консервативную формы гумусового вещества почвы); С – ежегодные потери гумуса в следствие его естественного разложения, м3/га; D ежегодное количество вносимых органических удобрений, т/га, (в наших расчётах принимаются по рекомендациям Росскомзем 
– концентрация гумуса растворенного в почвенных водах (0,2…0,5), г/л.
Ежегодная ориентировочная доза органических удобрений, компенсирующая потери гумуса в почве на мелиорируемом участке (DGUM=0), может быть определена по формуле:
, (2)
Сроки и дозы внесения органических удобрений зависят от формы органического удобрения (навоз, гуминовые концентраты, сточные воды, и т.п.), физиологии растения, климата, гидрофизических и гидрохимических свойств почвы, геологических и гидрогеологических условий, технологии внесения органических удобрений.
Ежегодное поступление гумуса в почву с растительными остатками и органическими удобрениями:
,
Ежегодное поступление гумуса в почву при гумификации растительных остатков при известном урожае Uф,:
, (3)
Ежегодное поступление гумуса при минерализации органических удобрений:
, (4)
где Ксв – доля сухой массы в урожае, в навозе или в сидератах; Дн – ежегодная норма внесения органических удобрений и, или запахиваемых сидератов, т/га. В расчётах принимается, что 1т биомассы в среднем даёт 120, а 1т навоза – 50…70 кг нового гумуса [3].
Ежегодное расходование гумуса:
.
Ежегодное расходование гумуса на формирование биомассы выращиваемых растений, т/га (может быть приближено оценено по азоту):
.
Ежегодные потери гумуса в следствие его естественного разложения
C = 0,399 т.
Считая почвы слабо эродируемыми при ежегодном смыве почвы Wэр = 3 (т/га)∙в год, слое почвы 20 см, с плотностью gт/м3, ежегодный вынос гумуса в следствие процессов эрозии и дефляции почв, м3/га, составит:
. (5)
Потери гумуса при нисходящих токах влаги и известной среднегодовой величине водообмена. Вымыв гумуса, оценивается с учётом того сколько подвижной фракции гумуса в виде фульвокислот растворяется в почвенной влаге:
, (6)
где растворимость гумуса, кг/м3. Концентрация фульвокислот в почвенной влаге зависит от щёлочности почвы или от содержания натрия в почвенном поглощающем комплексе (от степени осолонцевания):
Na в ППК, % 0 2 4 6 8 10 15 20
Растворимость гумуса Сг, кг/м3 0,35 0,42 0,55 0,62 0,70 0,85 1,22 2,15
В целом, можно выделить три типа баланса органических веществ в почве:
- скомпенсированный (бездефицитный) баланс, когда расход и потери органических веществ в почве за определённый промежуток времени уравновешены образованием или поступлением органических веществ извне;
- положительный баланс, когда образование и поступление органических веществ извне превышает их расход или потери;
- отрицательный баланс, когда расход и потери органических веществ превышают их образование или поступление извне.
Отрицательный баланс обычно складывается в почвах при невысокой культуре земледелия. Для целинных почв характерны компенсированный или положительный баланс гумуса.
Динамика приходных и расходных статей баланса гумуса в почве может быть оценена экспериментальными или расчётными методами по содержанию азота или углерода в почве [1].
Моделирование комплексного гумусового биогеохимического барьера и расчёты многолетней динамики составляющих баланса гумуса в почвах проводились нами для условий опытных участков принадлежащих Агробиостанции МГУ им. М.В. Ломоносова и расположенных на сопряжённых супераквальной, трансаллювиальной и аллювиальной фациях в пойме реки Клязьма в Московской области, Солнечногорском районе, вблизи посёлка Чашниково.
Участок расположен в МожайскоЗагорском ландшафтносельскохозяйственном округе, Солнечногорском ландшафтносельскохозяйственный районе.
Для оценки динамики составляющих баланса гумуса на мелиорируемых землях были выполнены многолетние прогнозные расчёты мелиоративного режима. Расчёты осуществлены по программе «Катена», разработанной на кафедре мелиорации и рекультивации земель. В основе программы лежит двумерная модель влагопереноса и расчёт мелиоративного режима для совокупности сопряжённых фаций. Расчёты проводились для имеющихся в нашем распоряжении метеоданных (метеостанция Клин) за период с 1968 по 2010г.
В расчётах было принято, что участок, расположенный на аллювиальной фации, используются для выращивания картофеля (с орошением), а участок, расположенный на супераквальной фации (пойменный участок) используется для выращивания многолетних трав (без орошения). Расчёты проводились при следующих начальных условиях и исходных данных: есть дрена река слева. Есть ловчая дрена у основания склона. Есть систематический дренаж в низине. Нет систематического дренажа на склоне. Нет систематического дренажа на возвышенности. Орошение на возвышенности.
Расчёт многолетней динамики составляющих баланса гумуса на нижнем и верхнем участках проводится для верхнего 20ти сантиметрового слоя почвы. Годовое изменение запасов гумуса, т/га [9], [10]:
,
где G – текущие запасы гумуса, т/га;
,
.
Gнов – темпы образования нового гумуса. Новообразованный гумус (по эквивалентному содержанию углерода), т/га в∙год:
,
где 1,724 – коэффициент, учитывающий долю углерода в гумусе 1/0,58=1,724; Кгум – коэффициент гумификации растительных остатков или навоза; Кс – доля углерода в сухой биомассе или в навозе; Бро – сухая биомасса растительных остатков, при известном урожае Uф, кг/га в∙год,
Gуд – темпы минерализации растительных остатков или органических удобрений в том числе и сидератов:
, (т/га) в год,
Ксв – доля сухой массы в урожае, в навозе или в сидератах; Дн – ежегодная доза навоза или запахиваемых сидератах, т/га в год. Принимается, что 1т биомассы в среднем даёт 120, а 1т навоза – 50…70 кг нового гумуса [9], [10].
Таблица 1. Исходные данные для расчёта баланса гумуса для пойменного участка
(на супераквальной фации)
|
Растворимость гумуса Сг (При Na в ППК=2%), кг/м.куб |
Bэр |
Проектный урожай, т/га |
Bмин |
Площадь участка, га |
Начальные запасы гумуса GUM0, т/га |
|
0,42 |
0,00125 |
11 |
0,0075 |
51 |
100 |
В коэффициент, учитывающий разложение или минерализацию гумуса Вмин, а также его потери Вэр при эрозии:
, год1.
Результаты прогнозных многолетних расчётов динамики запасов гумуса на верхнем и нижнем участках при разных дозах внесения удобрений приведены на рисунках 1, 2.
Рисунок 1. Динамика запасов гумуса на нижнем участке (супераквальная фация) при разных дозах внесения удобрений.
Рисунок 2. Динамика запасов гумуса на верхнем участке (аллювиальная фация) при разных дозах внесения удобрений.
Изменчивость текущих запасов гумуса 
, интенсивности образования нового гумуса, потерь гумуса при промывном режиме в течение расчётного периода времени связана с естественной изменчивостью основных составляющих водного режима и особенностями климата. Тем не менее, для данных конкретных условий можно подобрать такой вариант мелиоративного режима и такие дозы внесения органических удобрений, т.е. подобрать такие режимы работы совокупности биогеохимических барьеров сопряжённых ландшафтных фаций, при которых будет обеспечена положительная динамика запасов гумуса в почве, а следовательно, достигнута цель мелиорации расширенное воспроизводство плодородия земель. На Рисунках 3. и 4. показаны: изменение текущих запасов гумуса , образование нового гумуса А, потери гумуса при промывном режиме Вым, (при дозе внесения органических удобрений 15 т/га), Чашниково, на верхнем и нижнем участках.
Рисунок 3. Изменение текущих запасов гумуса , образование нового гумуса А, потери при промывном режиме Вым, (при годовой дозе внесения органических удобрений 15 т/га), Чашниково, нижний участок.
Рисунок 4. Изменение текущих запасов гумуса , образование нового гумуса А, потери гумуса при промывном режиме Вым, (при годовой дозе внесения органических удобрений 15 т/га), Чашниково, верхний участок.
Для оценки процессов накопления и расходования гумуса на рассматриваемом комплексном биогеохимическом барьере использованы следующие предложенные нами [11] показатели.
- Ёмкость гумусового биогеохимического барьера в рассматриваемых вариантах регулирования оценивается ежегодным приростом суммарных запасов гумуса. Для верхнего участка ёмкость гумусового барьера в различные годы в течение расчётного периода времени изменяется от 1,3 до 40,6 т/га. Для нижнего участка ёмкость гумусового барьера в течение расчётного периода времени изменяется от 0,8 до 71,1 т/га.
Рисунок 5. Ёмкость барьера (ежегодный интегральный прирост гумуса) при дозе внесения органических удобрений 15 т/га, Чашниково, верхний участок.
Рисунок 6. Ёмкость барьера (ежегодный интегральный прирост гумуса) при дозе внесения органических удобрений 15 т/га, Чашниково, нижний участок.
На рисунках видно, что за расчётный период времени в данных природных условиях ёмкость гумусового барьера, как на верхнем, так и на нижнем участке, не достигает своего физикохимически возможного предельного значения.
- Устойчивость гумусового биогеохимического барьера в условиях рассматриваемых участков – высокая и оценивается периодом времени, значительно превышающим расчётный. Изменчивость скорости накопления текущих запасов гумуса , интенсивности образования нового гумуса, потерь гумуса при промывном режиме в течение расчётного периода времени связана с естественной изменчивостью основных составляющих водного режима и особенностями климата. Тем не менее, для данных конкретных условий можно подобрать такой вариант мелиоративного режима и такие дозы внесения органических удобрений, т.е. подобрать такие режимы работы совокупности биогеохимических барьеров сопряжённых ландшафтных фаций, при которых будет обеспечена положительная динамика запасов гумуса в почве, а следовательно, достигнута цель мелиорации расширенное воспроизводство плодородия земель.
- Скорость накопления гумуса в пределах барьера.
Рисунок 7. Скорость ежегодного накопления гумуса т/га в год. при дозе внесения органических удобрений 15 т/га, Чашниково, верхний участок.
Рисунок 8. Скорость ежегодного накопления гумуса т/га в год. при дозе внесения органических удобрений 15 т/га, Чашниково, нижний участок.
- Скорость физикохимической трансформации гумуса на верхнем и нижнем участках, при дозе внесения органических удобрений 15т/га, по результатам расчётов, составляет 1,75…1,76 т/га в год.
- Контрастность барьера.
Рисунок 9. Контрастность гумусового при дозе внесения органических удобрений 15 т/га в год, Чашниково, верхний участок.
Рисунок 10. Контрастность гумусового барьера при дозе внесения органических удобрений 15 т/га в год, Чашниково, нижний участок.
На рисунках видно, что контрастность гумусового барьера меняется в соответствии с динамикой накопления гумуса, но зависит от естественной изменчивости погодных условий характерной для условий расчёта.
Для оценки относительных изменений плодородия почв на участках использован показатель относительной величины плодородия С.А. Пегова и П.М. Хомякова (С.А. Пегов, П.М. Хомяков, 1991):
где: S – относительная величина плодородия почв, в баллах; GГ и GФ – запасы гуматного и фульватного гумуса, т/га; N, P, K – содержание элементов минерального питания, в долях от максимального содержания. По данным И.П. Айдарова
Результаты прогнозных расчётов показателей плодородия почв на верхнем и нижнем участках приведены в таблицах 13 и 14.
Эти расчёты показывают, что за расчётный период плодородие почв показатель плодородия почвы Пегова и Хомякова для верхнего и нижнего участка имеет явно выраженную тенденцию роста. Снижение показателя плодородия характерно для избыточно влажных лет, когда при усилении промывного режима и особенно на фоне работающего дренажа из почвы интенсивно вымываются органические вещества. Однако этот интегральный показатель имеет существенные недостатки: аддитивность структуры показателя, не позволяет учитывать важнейшие факторы влияющие на плодородие почвы такие как тепло и влагообеспеченность. В выполненных нами расчётах интегральным показателем плодородия почвы может служит более объективный и более реалистичный показатель продуктивности предложенный В.В. Шабановым [13] мультипликативно связывающий отклонения от оптимальных значений всех факторов влияющих на продуктивность растений.
где P – продуктивность или относительная урожайность, Uф – фактическая урожайность, т/га, Uпр – проектная урожайность, т/га, Kt – коэффициент учитывающий отклонение температуры атмосферного воздуха от оптимальных значений, Kw коэффициент, учитывающий отклонение влажности корнеобитаемого слоя почвы от оптимальных значений, KNPK – коэффициент, учитывающий отклонение содержания биогенных элементов в почве от оптимальных значений, KpH – коэффициент, учитывающий отклонение значений гидролитической кислотности от оптимальных значений.
Выводы
- При проведении мелиоративных мероприятий, предусматривающих двухстороннее регулирование водного режима, необходимо учитывать, особенно на лёгких почвах, где значительно (в десятки раз) усиливается интенсивность и величина водообмена между почвой и подстилающими грунтами. Это значительно увеличивает потери органических веществ. Сбалансированный водообмен на мелиорируемых землях позволяет уменьшить, вымыв органических веществ в подстилающие горизонты почвы, а также и снизить компенсационные затраты.
- Изменчивость текущих запасов гумуса , интенсивности образования нового гумуса, потерь гумуса при промывном режиме в течение расчётного периода времени связана с естественной изменчивостью основных составляющих водного режима и особенностями климата. Тем не менее, для данных конкретных условий на основе предварительных прогнозных расчётов можно подобрать такой вариант мелиоративного режима и такие дозы внесения органических удобрений, т.е. подобрать такие режимы работы совокупности биогеохимических барьеров сопряжённых ландшафтных фаций, при которых будет обеспечена положительная динамика запасов гумуса в почве. А, следовательно, будет достигнута цель мелиорации расширенное воспроизводство плодородия земель.
1. Methodological guidelines for conducting comprehensive monitoring of soil fertility of agricultural lands. Moscow: Federal State Budgetary Institution "ROSINFORMAGROTECH". 2003 240s;
2. Dyakonov K.N. and Anoshko V. S. Meliorative geography / K.N. Dyakonov, V. S. Anoshko // Moscow : Publishing House of Moscow State University. 1995. 256 p;
3. Lykov A.M. Organic matter is a decisive factor in the fertility of turfpodzolic soils in intensive agriculture / A.M. Lykov // Soil fertility and ways to increase it. Moscow: Kolos. 1983. pp.138146.
4. Kaurichev I.S. The problem of humus of arable soils in intensive agriculture / I.S. Kaurichev // Soil science. 1979. No. 12. pp.512;
5. Shevtsova L.K. Transformation of humus of turfpodzolic soils in experiments with longterm use of fertilizers / L.K. Shevtsova // Soil science. 1998. No. 7. pp.825831;
6. Kiryushin V.I., et al. The concept of optimizing the regime of soil organic matter in agrolandscapes / V.I. Kiryushin // Moscow: Publishing House of the Ministry of Agriculture. 1993. 98 p;
7. Komarov A.A. Humuslike compounds from lignin and their effect on plants / A.A. Komarov // St. Petersburg: Nevsky Standart. 2004. 120 p;
8. Ermakov E.I., Komarov A.A. Theoretical foundations of physiological regulation of growth pro-cesses in regulated agroecosystems / E.I. Ermakov, A.A. Komarov // Proceedings of the AllRussian Conference with international participation "Plant production process: theory and practice of ef-fective and resourcesaving management". St. Petersburg: St. Petersburg.: GNU AFI of the Russian Agricultural Academy. – 2009;
9. Golovanov A.I. Dynamics of humus reserves during land reclamation / A.I. Golovanov // Priro-doobustroystvo. Moscow: MGUP. 2014. No.4. pp.711;
10. Litvinovich A.V. Pavlova O.Y. Lavrishchev A.V. Bure V.M. Changes in the content and composi-tion of humus during reclamation of acidic soils. Empirical models of the transformation process of humic acids during liming / A.V. Litvinovich, O.Y. Pavlova, A.V. Lavrishchev, V.M. Bure // Sakt Petersburg: FGBNU AFI, 2016. 104 p;
11. Maksimov S.A. Dissertation for the degree of Doctor of Technical Sciences "Justification of land reclamation and reclamation based on ideas about the formation of barrier properties of natural objects." Moscow. VNIIGiM, 2020 346 p;
12. Shabanov V.V. Pushkareva T.V. Zemlyanov Yu.M. Some patterns of production by microorgan-isms of mobile forms of nitrogen in peatbog soil / V.V. Shabanov, T.V. Pushkareva, Yu.M. Zem-lyanov // Complex reclamation regulation of soil processes. Collection of scientific papers of MGMI. Moscow : MGUP. 1982;
13. Shabanov V.V. Bioclimatic justification of land reclamation / V.V. Shabanov // Leningrad: gidroeteoizdat. 1973. 164 p.
