Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Устойчивость почвы – современный взгляд на проблему (обзор литературы) 8
1.1. Общее представление устойчивости почвы к внешним воздействиям 8
1.2. Проблема подкисления почвы 15
1.3. Проблема загрязнения почв тяжелыми металлами (ТМ) 19
1.4. Агрохимическое состояние вопроса 20
Глава 2. Условия и методика проведения многолетних полевых опытов и лабораторных исследований 25
2.1. Почвенно-климатические условия 25
2.2. Методика проведения полевых опытов 25
2.3. Методика исследований 30
Глава 3. Устойчивость почвы к подкислению 33
Глава 4. Агрохимический аспект устойчивости агросерой почвы 39
4.1. Динамика плодородия пахотных почв Рязанской области 39
4.2. Калийное состояние почвы 41
4.3. Устойчивость почвы по градиенту фосфатного режима 49
Глава 5. Устойчивость почвы к загрязнению 57
5.1. Элементный химический состав агросерой почвы 57
5.2. Буферность почвы к загрязнению 61
Глава 6. Модель устойчивости агросерой почвы 77
Выводы 80
Список использованной литературы 82
Приложения 106
- Проблема подкисления почвы
- Калийное состояние почвы
- Буферность почвы к загрязнению
- Модель устойчивости агросерой почвы
Введение к работе
Актуальность проблемы. Масштабность современных экологических вызовов принуждает ориентировать современное сельское хозяйство на экологически безопасное производство. Одним из вариантов, позволяющих приблизить решение данной проблемы, является повышение устойчивости почвы к неблагоприятным условиям.
Проблема устойчивости, здоровья почв широко обсуждается в научной литературе (Василевская, 1994; Макаров и др., 1995; Фокин, 1995; Черников и др., 2001; Державин и др., 2002; Миркин, 2002; Никитишен, 2002; Хитров, 2002; Чижикова, 2002; Ананьева, 2003; Глазовский, 2002; Кудеяров, 2006,; Degens и др., 2003). В данных работах указывается актуальность проблемы, приводится обоснование понятия устойчивости почвы, различные аспекты ее оценки. В последнее время введено понятие «здоровье почвы» (Семенов и др, 2016; Кудеяров и др., 2017). Современное агрохимическое состояние агропочв вызывает опасение (Сычев и др., 2012, 2017). По этой причине устойчивость отечественной агросферы в 3,5 раза ниже, чем в развитых странах (Иванов, 2004).
В 2002 году прошла Всероссийская конференция, посвященная проблеме устойчивости почв к естественным и антропогенным воздействиям. Рассмотренные на ней проблемы (методы, индикаторы оценки, механизмы и факторы устойчивости почв к внешним воздействиям и т.д.) остаются актуальными и по сей день.
В узком смысле под устойчивостью почвы как средства производства
следует понимать ее способность выполнять одновременно
производственную, средообразующую и ресурсовоспроизводящую функции
на приемлемом эколого-экономическом уровне в условиях кратковременных
и долговременных неблагоприятных антропогенных и природных
воздействий. Антропогенные воздействия, приводящие к истощению почвенных ресурсов, подкислению, загрязнению следует расценивать как неблагоприятные. К сожалению, в последнее время указанные процессы в большинстве агропочв усиливаются. В центральном округе Российской Федерации более половины пахотных почв имеют кислую реакцию среды (например, в Рязанской области около 73 %). В Рязанской области, как и в некоторых других областях Нечерноземной зоны свыше 30 % пахотных почв имеют низкую обеспеченность подвижным калием и фосфором. Это создает предпосылки для снижения потенциала устойчивости почв, следовательно, повышения экологической уязвимости сельскохозяйственных растений к внешним воздействиям.
Структурной основой устойчивости почвы являются вещества минеральной и органической природы, входящие в состав почвенно-поглощающего комплекса. Наиболее полно его функциональное состояние отражают физико-химические свойства – показатели буферности (калийная, фосфатная, к подкислению и загрязнению). Это обусловлено тем, что критерием устойчивости почвы является ее способность к формированию
резервов вещества и энергии, снижению активности вредных веществ (тяжелых металлов) или качество процессов, происходящих на границе почвенных фаз. Улучшение активности почвенно-поглощающего комплекса позволит минимизировать внешние экологические риски.
Одновременно с момента организации Рязанского СХИ (1949 г.),
впоследствии переименованного в Рязанского ГАТУ, на базе кафедр стали
активно закладываться многолетние полевые стационарные опыты с
удобрениями, обработками почвы. За длительный период времени
определены агрохимические, агрофизические и другие параметры
плодородия, систематизированные в форме модели, для управления
продукционным процессом на экономически оправданном уровне.
Установлены оптимальные для агросерых почв южного Нечерноземья формы
азотных, фосфорных и калийных удобрений (Фадькин Г.Н., 1998; Костин
Я.В., 2000). За более чем 50-ти летнее время воздействия на агросерую почву
сложилась и в дальнейшем только усилилась пространственная
неоднородность почвенных свойств по делянкам. Это позволило сформулировать новые цели и задачи.
Для определения меры устойчивости почв необходима разработка
соответствующих моделей плодородия. Современные модели в большей
степени указывают на уровни плодородия в соответствии с продуктивностью
сельскохозяйственных растений (Ильина, 1997). В качестве дополнений к
существующим моделям предлагается физико-химический блок,
отражающий устойчивость почв.
Цель и задачи исследований. Цель работы – разработать подходы в моделировании плодородия агросерой почвы для оценки и прогноза ее устойчивости к неблагоприятным воздействиям Достижение цели осуществлялось путем решения задач:
1. Определить устойчивость агросерой почвы к подкислению,
загрязнение тяжелыми металлами (цинком, медью, кадмием и свинцом).
2. Оценить калийный и фосфатный режим агросерой почвы.
3. Разработать оптимальный физико-химический блок модели
плодородия агросерой почвы, характеризующий устойчивость почвы.
Научная новизна. Впервые на базе многолетних стационарных опытов с минеральными удобрениями и комплексным окультуриванием агросерой почвы изучены вопросы устойчивости агросерой почвы к подкислению, загрязнению тяжелыми металлами, истощению фосфором и калием. Для этого определены емкость буферности к подкислению, буферная способность почвы к загрязнению цинком, медью, кадмием и свинцом, потенциальная буферная способность по отношению к калию и фосфору. Методами математического анализа установлено влияние кислотности почвы, гумуса, обеспеченности почвы калием и фосфором на формирование потенциальной буферной способности. Для улучшения фосфатного и калийного режима агросерой тяжелосуглинистой почвы установлены дозы фосфорных и калийных удобрений.
Результаты исследований использованы в реализации современных подходов к моделированию плодородия агросерой тяжелосуглинистой почвы, которые позволят по-новому взглянуть на проблему устойчивости почвы к неблагоприятным воздействиям.
Практическая значимость работы. В дополнение к имеющимся показателям плодородия предложены физико-химические показатели устойчивости агросерой почвы. Они позволят оценить степень устойчивости почвы, разработать мероприятия с учетом текущих и прогнозно-планируемых состояний плодородия.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Устойчивость агросерой почвы к подкислению, загрязнению
цинком, медью, кадмием и свинцом в многолетних полевых опытах с
минеральными и органическими удобрениями.
2. Агрохимические условия оптимального проявления устойчивости
агросерой почвы на основе калийной и фосфатной буферности.
3. Модель устойчивости агросерой почвы к подкислению, истощению
калием и фосфором, тяжелым металлам – цинку, меди, кадмию и свинцу.
Достоверность результатов исследований подтверждается данными
многолетних полевых исследований и лабораторных анализов, выполненных
по общепринятым методикам и подвергнутых математической обработке
методами дисперсионного, корреляционного, регрессионного
статистического анализа.
Апробация работы. Основные результаты исследований представлены на VIII Международной научно-практической конференции «Аграрная наука – сельскому хозяйству» (г. Барнаул, 6 – 7 февраля 2013 г.); Международной научно-практической конференции «Проблемы формирования комплексов машин и оборудования для агрохимического обеспечения производства сельскохозяйственной продукции» (г. Рязань, 15 декабря 2014 г.); 66-й Международной научно-практической конференции, посвященной 170-летию со дня рождения профессора Павла Андреевича Костычева «Аграрная наука как основа продовольственной безопасности региона» (г. Рязань, 14 мая 2015 г.); Международной научно-практической конференции «Научное обеспечение развития АПК в условиях импортозамещения» (г. Санкт-Петербург – Пушкин, 28 – 30 января 2016 г.). Национальной научно-практической конференции «Инновационное развитие современного агропромышленного комплекса России» (г. Рязань, 12 декабря 2016 г.); Всероссийской научно-практической конференции с Международным участием «Фундаментальные и прикладные основы сохранения плодородия почвы и получения экологически безопасной продукции растениеводства», посвященной 75-летию со дня рождения доктора сельскохозяйственных наук, профессора Куликовой А.Х. (г. Ульяновск, 21 – 22 ноября 2017 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 печатных работ, в том числе 7 статей в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.
Объем и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 6 глав, выводов и приложений. Она включает 18 таблиц,
Проблема подкисления почвы
К наиболее экологически опасным, неблагоприятным воздействиям на почвенный покров относятся подкисление почвы (Bradfield, 1996; De Schrijver, 1997; Соколова, 2001; Шамрикова, 2001, Зубец, 2008; Русакова и др., 2012, Панасин и др., 2017). Обстоятельная научная работа по проблеме подкисления почв (в основном дерново-подзолистых, подзолистых), в особенности по выяснению его воздействия на физико-химические и химические свойства, проводится в модельных опытах и в естественных условиях на кафедре химии почв МГУ (Соколова и др., 1991, 2001; Козлова и др., 1999; Лукьянова и др., 2000, 2001; Иванова и др., 2002; Шамрикова и др., 2002, 2005). Недостаточно внимания уделяется пахотным почвам, а это тем более необходимо, что их подкисление усилилось в последнее время. В России площадь почв с избыточной кислотностью около 36,7 млн. га, или 31,6 % общей площади пашни (Кузнецов и др., 2002). По данным А.П. Щербакова и др. (2000), снижение рН в черноземах ЦЧО может иметь 2 ед. и распространяться на глубину более метра.
Минеральные удобрения подкисляют почву (Назырова, 2003; Смык и др., 2002; Минеев и др., 2004; Небытов, 2004). По данным Литовского института земледелия (Чюбяркене и др., 2002), при применении в течение 20 лет тройной дозы NPK подкисление почвы произошло на 1,3 единицы.
В опыте В.Г. Минеева и др. (2004) на дерново-подзолистой почве среди показателей, характеризующих негативное последействие 40–летнего применения NK–удобрений на не известкованной почве, в первую очередь была выделена повышенная кислотность и отдельные составляющие биологической активности почвы. Опытным путем И.Д. Свистовым и др. (2004) в условиях высокобуферного выщелоченного чернозема было установлено, что многолетнее внесение минеральных удобрений в производственных дозах даже на фоне органических удобрений приводило к подкислению и декальцинированию почвы. По данным В.Д. Мухи и др. (2003), в типичном черноземе ежегодный вынос кальция составляет 344 кг/га. Отмечено сильное подкисление почвы при внесении навоза и минеральных удобрений – на 2,1 рН за 30 лет.
Данная проблема актуальна не только для почвенного покрова России. Например, среднее значение рН лесных почв Швеции снизилось с 1927 по 1983 гг. на 0,3 – 0,9 ед. в подстилке и на 0,3 – 0,7 ед. в минеральных горизонтах (Hallbacken и др., 1986). В некоторых местах кислотность возросла на 1,5 ед. рН. Повторное обследование в 1985 г. почв песчаного и глинистого гранулометрического состава Бельгии, не получивших удобрений и извести, выявило достоверное подкисление большинства почв по сравнению с 1950 –1967 гг. В ряде почв рост кислотности достигал 0,5 ед. рН (Buysse и др., 1996). Значительное подкисление почв произошло в промышленных районах центральной Европы, особенно в Германии, а также в Великобритании, Сербии, Моравии и Силезии. Исследователи отмечают, что подкисление охватывает все более глубокие слои почвы, однако в наибольшей степени ему подвержены подстилка и верхний минеральный горизонт (Falkengren–Grerup, 1987; Eriksson и др., 1992). В дерново-подзолистых окультуренных почвах сельскохозяйственных угодий Калининградской области в 1965-1974 гг. количество кислых почв было относительно постоянным и варьировало от 60 до 64%. pHKCl повысился с 5,2 до 5,8, доля кислых почв снизилась до 26%. Вследствие резкого сокращения объемов известкования, начиная с 1992 г., к 2016 г. pHKCl снизился до 5,6, доля кислых почв возросла до 38% (Панасин В.И., и др., 2017).
В среднем потери в 50 % от запасов обменных оснований были зарегистрированы за 35 лет в почвах южной Швеции (Falkengren–Grerup, 1987). Большие потери обменных оснований характерны для многих лесных почв центральной Европы. Исследования почв северной Германии показали, что 70 – 80 % лесных почв до глубины 70 см находилось в пределах алюминиевой буферной зоны. Показательным примером антропогенного подкисления являются почвы Черного треугольника, сместившиеся в алюминиевую и железистую буферные зоны (Johnson, 2003).
Минеральные удобрения подкисляют почву (Назырова, 2004; Смык и др., 2002; Минеев и др., 2004; Небытов, 2004; Борисов и др., 2017; Гилев С.Д., 2017). По данным Литовского института земледелия (Чюбяркене и др., 2002), при применении в течение 20 лет тройной дозы NPK подкисление почвы произошло на 1,3 единицы.
По данным Р. Вейтене (2003), подкисление почвенного покрова Литвы за период с 1988 по 1998 гг. произошло на 1,1 единицы (с 5,5 до 4,4), что связано с недостаточным известкованием. Ученым установлена прямая корреляционная связь между реакцией почвы и количеством подвижного алюминия (r = 0,98).
В работе Абдуллина М.М. и др. (2017) показано, что в результате интенсивного земледельческого использования и ухудшения общей экологической обстановки на агроландшафтах республики Башкирия в лесостепных черноземах происходят подкисление реакции среды и деградация их физико-химического состояния. Подкисление достигло уровня рНсол. 5,2-5,4 и пахотные лесостепные черноземы перешли с генетически слабокислых в разряд среднекислых почв. По мнению A. Wallace (1994), подкисление почвенного раствора после применения удобрений происходит в том случае, если синтезируемая азотная кислота не взаимодействует с органическим веществом (из-за незначительного его содержания) и не используется растением. Потенциально подкисляющий эффект от аммонийного азота может быть эквивалентен 3,5 кг соляной кислоты на 1 кг азота.
На сегодняшний день в Свердловской области 64,8 % из 1,3 млн га пахотных земель занимают кислые почвы, в том числе 27 % сильно- и среднекислые (Тощев В.В., 2017).
Известно негативное побочное проявление повышенной кислотности, выражающееся в повышении активности некоторых элементов (Подколзин, 2002; Анисимов и др., 2011; Кuhn и др., 1983).
В работе Кобяковой и др. (2017) представлены результаты многолетнего мониторинга показателей кислотности черноземных почв северной лесостепи Курганской области. Установлено, что с 1993 г. произошло достоверное увеличение кислотности. Так, pHKCl снизился в среднем на 0,4 единицы, при этом гидролитическая кислотность повысилась с 3,67 до 5,21 ммоль/100 г почвы. Пахотные черноземы северной лесо- степи Курганской области характеризуются высокой потенциальной кислотностью. Как отмечают авторы, данный факт может стать причиной прогрессирующего подкисления под влиянием комплекса внешних факторов. По состоянию на 1965 г. на долю сильнокислых и среднекислых почв приходилось 2,1% от общей площади угодий, к 2013 г. доля этих почв повысилась до 6%, причем данная ситуация начала формироваться с начала двухтысячных годов.
Повышенная кислотность почвы напрямую и через ухудшение других, связанных с нею свойств, приводит к снижению продуктивности культурных растений. Так, в опыте В.Г. Минеева и др. (2004) на дерново-подзолистой почве до 58 % изменчивости урожая викоовсяной смеси было связано с варьированием кислотности почвенного раствора.
Калийное состояние почвы
Проблема калия весьма актуальна (Аристархов, 2002; Минеев, 2002, 2013; Прокошев, 2004; Жарикова и др., 2011, Маслова и др., 2011, Лукин, 2012, 2017, Никитина, 2012, 2014; Романенков и др., 2009, Афанасьев, 2013, Морозова, 2015).
В опытах Л.В. Никитиной (2012) было приведено сравнение действия органической, минеральной и органо-минеральной систем удобрения на трансформацию форм калия в дерново-подзолистой почве. Установлено, что действие длительного применения навоза и минеральных удобрений на изменение калийного режима почвы было слабее, чем от органоминеральных систем удобрения.
В опытах В.Г. Минеева и др. (2013) установлено, что применение на дерново-подзолистой почве минеральных удобрений в сочетании с известью и навозом способствовало оптимизации калийного режима. Внесение калийных удобрений, повышая обеспеченность почвы калием, снижало величину калийного потенциала.
На наш взгляд, недостаточно обстоятельно изучено влияние почвенных условий на формирование калийной буферности (РВСк) и ее компонентов – факторов интенсивности ARo и емкости –Кo, +Кo. Поэтому цель исследований заключалась в прогнозе калийного режима агросерой почвы при различных комбинациях содержания гумуса, подвижного и легкоподвижного калия, рН на основе выведения вероятностных уравнений. Актуальность исследований заключается в том, что мы рекомендуем использовать данный показатель в моделях устойчивости агросерой почвы.
Для изучения влияния почвенных условий на формирование устойчивости калийного режима было проанализировано 25 почвенных образцов, отличающихся содержанием гумуса, подвижной и легкоподвижной формами калия, кислотностью. Для каждого образца определены значения компонентов буферности. Вариация признаков позволила установить связи, которые можно признать закономерными в объеме предложенного массива данных (прил. 5).
От гумуса зависит относительная активность калия. Уравнение регрессии имеет вид: Y = – 0,0098 + 0,0046X. Предлагается для средней и высокой степени устойчивости функционирования агросерых суглинистых почв доведение значения ARo соответственно до 2 – 4 и 4 – 7 10–3 М/л0,5 (Травникова, 2003). В нашем случае такие величины активности возможны при ориентировочном содержании гумуса в 2,5 – 2,9 % и 2,9 – 3,5 %. Исходя из зависимости ARo от подвижного калия имеющий вид Y = – 0,0045 + 0,0004X, содержание последнего должно быть для средней степени устойчивости не ниже 17 – 22 мг/100 г, для высокой – 22 – 30 мг/100 г. При содержании гумуса меньше 2,5 % вероятное (при P = 100 %) значение ARo составит 1,7 10–3 М/л0,5, что соответствует низкой степени устойчивости; если гумуса больше 2,5 %, то ARo превышает 10 10–3 М/л0,5; значения -К (десорбционная ветвь) и +К (адсорбционная ветвь) при гумусе 2,5 % ожидаются соответственно около 0,061 и 22,7 мг-экв/100 г, при гумусе 2,5 % – 0,090 и 15,6 мг-экв/100 г. (табл. 5).
При содержании подвижного калия менее 10 мг/100 г и от 10 до 20 мг/100 г почвы степень устойчивости низкая, так как по нашим расчетам ARo не будет превышать 2,0 10–3 М/л0,5. Если подвижного калия больше 20 мг/100 г, то можно достичь высокой степени устойчивости почвы по ARo, значение которой превышает 7 10–3 М/л0,5. При различных комбинациях подвижного калия и гумуса получена следующая закономерность: максимальное повышение относительной активности калия до 16,5 10–3 М/л0,5 при увеличении гумуса ( 2,5 %) отмечалось только на фоне обеспеченности агросерой почвы подвижным калием не ниже средней.
Вероятностные значения ARo в математической обработке, включающей комбинации подвижного калия с гумусом менее 2,5 %, ниже по сравнению без гумуса. Сравнение этих значений позволяет оценить участие гумуса в формировании относительной активности калия. Для диапазона 10 К2О 0 вклад гумуса составляет 26 %, К2О 20 мг/100 г – 12 %.
Уравнением Дубинина-Радушкевича была аппроксимирована та ветвь экспериментальной изотермы, которая проходит выше оси ординат (+К) и указывает на адсорбцию калия. Знак коэффициента регрессии в уравнении Y = 28,5 – 2,8X позволяет заключить, что чем кислее почва, тем больше поглощается калия, что связано, вероятно, с недонасыщенностью илистых фракций гумусом, содержание которого составляло в большинстве случаев 1,65 – 2,25 %, а рН – 4,3 – 5,0. Установлено, что если гумуса 2,5 % и рН 4,5, то значение –К возрастает в 1,8 раза (до 0,07 мг-экв/100 г) по сравнению с рН 4,5. В кислой среде ожидается также увеличение поглощения калия на 2 – 3 мг-экв/100 г (+К = 20 мг-экв/100 г).
Калийная буферность возрастает при увеличении гумуса в почве, так как, взаимодействуя с илистыми компонентами, органическое вещество понижает сорбционную емкость и отражает активность калия в почвенном растворе. В 44 % случаев при содержании гумуса меньше 2,5 % РВСк превышала 20 ед., при этом содержание подвижного калия в области рН 5,0 колебалось от 8 до 15 мг/100 г, при рН больше 5,0 – от 19 и выше. В 32 % случаев содержание гумуса более, чем 2,5 %, привело к формированию РВСк больше 20 ед., однако это возможно только при ниже средней обеспеченности почвы калием.
Наибольшее значение буферности – 43 (рис. 6) было установлено в 16 % случаев, когда отмечалось снижение гумуса до 1,7 – 1,9 % и превышение подвижным калием величины 20 мг/100 г, хотя последний определяет относительную активность калия, поэтому РВСк должна снижаться. Проанализировав причины, считаем, что такая калийная буферность не может считаться оптимальной, так как ее формирование происходит на фоне кислой реакции среды. По-видимому, по причине высокой кислотности почвы и низкой обеспеченности ее калием (К2О около 10 мг/100 г) следует ожидать формирования низкой буферности (РВСк = 32) при содержании гумуса больше 2,5 %. Аналогичный эффект обнаруживается и при среднекислой реакции среды, но при более высоких значениях подвижного калия. В первом и втором случаях (в сумме на их долю приходилось 36 %) низкая буферность была обусловлена невысокой десорбционной способностью (–К около 0) и незначительной относительной активностью калия (ARo 1,0 10–3 М/л0,5). В 40 % случаев РВСк возросла до 41 ед. на фоне обеспеченности калием, не превышающей 20 мг/100 г., что обусловлено не только незначительной активностью калия, но и низким содержанием гумуса (меньше 2,5 %), т.е. дегумификацией илистых фракций, о чем свидетельствуют высокие значения +К – 18 – 20 мг-экв/100 г. Такое же значение РВСк (41) для агросерой почвы можно сформировать при высокой ее обеспеченности калием и гумусом (3 % и выше).
При добавлении хлористого калия в раствор концентрация калия в нем возрастает, темпы сорбции его снижаются. Поэтому был построен график зависимости отношения Q к I, рассчитанного для каждого отрезка верхней части изотермы, от исходной концентрации калия в растворе (рис. 7). Несмотря на недонасыщенность ППК калием (содержание подвижного калия 8 – 10 мг/100 г), превышение его концентрации в исходном растворе величины 0,32 мг-экв/л (Xo – точка перегиба) не приводит к увеличению Q/I, так как темпы роста концентрации элемента в растворе превышают темпы поглощения. Это наименьшая величина по сравнению с другими классами обеспеченности, для которых Xo составила около 0,40 мг-экв/л (условно эквивалентна дозе действующего вещества калийного удобрения 470 кг/га).
С переходом на более высокий класс обеспеченности снижается значение первого коэффициента в уравнении: с 489 до 285. Как видно из рис. 7, при минимальном содержании калия происходит интенсивное его поглощение по скорости, а также по объему – Yo = 51.
Выше мы рассмотрели случай зависимости поглощения калия от рН. Для выявления роли гумуса для адсорбции были выбраны образцы, отличающиеся только по степени гумусированности при значениях рН, варьирующихся от 5,0 до 5,3. Для расчета объема поглощения калия использовано уравнение Поляни. Установлено, что в почве с наибольшим содержанием гумуса отмечается максимальная адсорбция – 123 мг/100 г, минимальная – 17 мг/100 г – при содержании гумуса 2,0 – 2,3 %.
Буферность почвы к загрязнению
Существует мнение, что окультуривание почв, предусматривающее применение удобрений, содержащих примеси в виде ТМ, приводит к некоторому загрязнению почвы (Аристархов, 2000). Окультуривание почвы означает всестороннее и комплексное улучшение всех параметров плодородия, тесно связанных с урожайностью.
Аккумуляция ТМ в почве неизбежно будет продолжаться. В этой связи интересным, с точки зрения прогноза, является выявление устойчивости загрязненной почвы, которая создается путем искусственного внесения в нее загрязнителя. Объектом исследования была агросерая почва разного уровня плодородия. В почву вносили цинк из расчета 50 и 100 мг/кг. В качестве показателей устойчивости к загрязнению цинком использовали изотермы адсорбции (рис. 10), их характеристики (табл. 12, 13) и буферность.
Оценка устойчивости была проведена также и в отношении меди. Плодородная агросерая почва поглощала больше цинка и меди. При том уровне ее плодородия, которое показано в табл. 2 (опыт 5), максимальное количество этих элементов, которое может поглотить почва (максимальная адсорбция – Qmaх) составила для контрольного варианта 182 (Zn) и 130 (Cu) мМ/кг, что соответственно на 91 и 26 мМ/кг больше, чем у менее плодородной почвы (табл. 13). При загрязнении почвы цинком величина поглощения уменьшалась, что может указывать на ослабление устойчивости, хотя оно для двух вариантов плодородия и не было столь заметным. Но при всех значениях загрязнения в плодородной почве объем поглощения элементов был выше сравниваемого.
С равновесной концентрацией цинка в растворе отношение Q/C связана логарифмической зависимостью: для неокультуренной почвы она имеет вид: Y = 75,3 – 30,5 log(X), при р = 0,0022; окультуренной – Y = 112,8 – 48,3 log(X), при р = 0,0005. Как видно из уравнений, при концентрации цинка в растворе, например, 20 мМ/л (26 мг/кг) в неплодородной почве буферность составляет 35 ед. В плодородной почве такое значение буферности достигается при более высокой равновесной концентрации – 39,8 мМ/л (51,7 мг/кг).
В контрольном варианте без предварительного загрязнения неплодородной и плодородной почвы максимальная адсорбция цинка составила соответственно 6 и 12 мг/кг, меди – 7 и 8 мг/кг. Следовательно, в плодородной почве больше поглощается цинка, чем меди.
На рис. 11 отражена зависимость Q/C от С0 цинка и меди в растворе, которая хорошо описывается уравнением логарифмического типа, а для варианта с плодородной почвой и медью и криволинейной зависимостью. На рис. 12 показаны Qmax и энергия связывания, рассчитанные по уравнению Дубинина–Радушкевича (прил. 7). Несмотря на меньшие значения, чем при обработке данных по Ленгмюру, закономерности сохраняются в том же сравнительном порядке.
Таким образом, при увеличении в агросерой почве органического вещества улучшается экологическая функция: больше адсорбируется цинка и меди, что следует рассматривать как важный фактор устойчивости почвы.
Как известно, минеральные удобрения представляют собой источник побочных элементов в почве. Например, двойной суперфосфат отличается повышенным содержанием свинца (38 мг/кг с.в.) и цинка (14,2 мг/кг с.в.); то же можно сказать и о хлористом калии (около 12 мг/кг с.в. Pb и Zn) (Аристархов, 2000). Поэтому их длительное применение может снизить устойчивость почвенной среды к загрязнению. В этой связи была изучена устойчивость агросерой почвы к возможному загрязнению цинком, медью, кадмием и свинцом в двух вариантах: при условии использования только минеральных удобрений (NK+Pсд – минеральная система) и в их комплексе с органическими удобрениями (органоминеральная система). Контрольный вариант – без удобрений. Отмеченные выше выводы при сравнении вариантов ограничены рамками сформированных агрохимических свойств (табл. 2).
Показатели адсорбции показаны в табл. 14, 15; сами изотермы – на рис. 13 (прил. 8). На фоне длительного отсутствия применения удобрений и их использования агросерая почва обладает наибольшей адсорбирующей способности к свинцу, далее к кадмию, цинку и меди. Например, на контроле Qmaх составила соответственно в порядке указанных элементов 132 мМ/кг (27 мг/кг), 93 мМ/кг (10 мг/кг), 125 мМ/кг (8 мг/кг) и 103 мМ/кг (7 мг/кг); на минеральной системе удобрения – 61 (13), 85 (10), 143 (9) и 102 мМ/кг (6 мг/кг).
В табл. 14 представлены значения потенциальной буферной способности. При совместном внесении органических и минеральных удобрений при всех равновесных концентрациях катионов ТМ значения ПБС были больше контрольного и варианта с минеральной системой удобрения.
Различные условия опыта оказали неодинаковое влияние на поглощение почвой катионов ТМ. Примечательно, что для всех элементов на изотерме адсорбции их почвой в варианте с органоминеральной системой удобрения можно выделить отрезок (до концентрации 6 – 10 мМ/л в зависимости от элемента) с более высокой степенью поглощения по сравнению с другими вариантами.
При нагрузке в 6 – 10 мМ/л разница в поглощении составила около 2 мМ/кг или 0,13 мг/кг. В области высоких концентраций вектор направленности изотерм по отношению к осям координат меняется (за исключением меди).
Модель устойчивости агросерой почвы
Конечной целью наших исследований было разработка модели плодородия агросерой тяжелосуглинистой почвы, отражающей ее устойчивость к неблагоприятным воздействиям. Современные модели плодородия в основном включают агрохимические, физические, биологические и другие показатели, которые позволяют оценить, спрогнозировать уровень продукционного процесса сельскохозяйственных растений. Наша модель указывает на условия необходимые для реализации устойчивого продукционного процесса.
Количественной и качественной мерами реализации механизмов устойчивости являются предложенные в таблице 18 показатели, отражающие три уровня устойчивости почвы относительно низкий, средний и высокий. При относительной активности калия ниже 2 М/л 10-3 (РВСк 24), 2 – 4 М/л 10-3 (45 РВСк 24) и более 4 М/л 10-3 (РВСк 24) достигаются соответственно низкий, средний и высокий уровни устойчивости агросерой почвы (табл. 18).
При равновесной концентрации фосфора (Рравн в вытяжке 0,01 М CaCl2), емкости десорбции (Q0) и потенциальной буферной способности менее 0,1 мг/л, 0,7 мг Р/100 г и 34 мл/г соответственно степень устойчивости агросерой почвы расценивается как низкая. Средний уровень устойчивости обеспечивается при Рравн от 0,1 до 0,2 мг/л, Q0 – от 0,7 до 1,4 мг Р/100 г и РВСр – от 34 до 45 мл/г; высокий уровень устойчивости при Рравн более 0,2 мг/л, Q0 более 1,4 мг Р/100 г и РВСр более 45 мл/г. (табл. 18).
Если общая за интервалы рН емкость буферности к подкислению (ЕБк) лежит в диапазоне 9 – 11 мМ-экв/100 г, то достигается средний уровень устойчивости почвы. При этом поглощенных оснований должно быть не менее 20 мг-экв/100 г. Не рекомендуется снижение емкости буферности к подкислению до значений менее 9 мМ-экв/100 г.
Длительность полевых многолетних опытов и их схемы позволяют получить достоверный экспериментальный материал и в сравнительном изучении вариантов ранжировать как минимум три состояния указанных физико-химических параметров, а значит функционирования почвы, соответствующие условно низкому, среднему и высокому уровням устойчивости.
Предложенная модель плодородия является ориентировочным для агросерой тяжелосуглинистой почвы, так как почва эволюционирует, и со временем будут меняться экологические требования к ней.