Помощь студентам в учебе
Эффективность ресурсосберегающих агротехнологий в улучшении качества сельскохозяйственных почв в условиях Среднего Поволжья (на примере нулевой обработки почв)
|
Введение
1. ТРАНСФОРМАЦИЯ ПОЧВ В РЕЗУЛЬТАТЕ СЕЛЬСКХОЗЯЙСТВЕННОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ 6
1.1 Проблема деградации сельскохозяйственных почв 6
1.1.1 Эрозия почв 6
1.1.2 Дегумификация почв 8
1.2 Почвозащитные и ресурсосберегающие системы обработки почвы 9
1.2.1 Технология нулевой обработки почвы 11
1.2.2 Перспективы использования нулевой обработки почвы для увеличения почвенных запасов органического вещества 14
1.3 Показатели качества почвы 16
1.3.1 Физические и химические показатели качества почв 16
1.3.2 Биологические показатели качества почв 19
2. ОБЪЕКТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ 21
2.1 Физико-географическая характеристика района исследования 21
2.1.1 Рельеф и геологическое строение 21
2.1.2 Климат и гидрологические условия 22
2.1.3 Почвенный покров 24
2.1.4 Риски для ведения растениеводческой деятельности в районе исследования 25
2.2 Сведения о хозяйстве ООО «Орловка» - АИЦ 26
2.3 Характеристика объектов исследования и подхода к отбору почвенных образцов 26
3. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ 29
3.1 Плотность сложения почвы 29
3.2 Активная кислотность почвы 30
3.3 Содержание общего углерода и азота 31
3.4. Фракционирование почвенного органического вещества 31
3.5 Микробные свойства почвы 32
3.6 Статистическая обработка данных 33
4. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ 34
4.1 Физико-химические показатели агрочерноземов при нулевой и традиционной технологиях обработки почвы 34
4.2 Микробиологические показатели агрочерноземов при нулевой и традиционной технологиях обработки почвы 37
ВЫВОДЫ 39
ЛИТЕРАТУРА 41
1. ТРАНСФОРМАЦИЯ ПОЧВ В РЕЗУЛЬТАТЕ СЕЛЬСКХОЗЯЙСТВЕННОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ 6
1.1 Проблема деградации сельскохозяйственных почв 6
1.1.1 Эрозия почв 6
1.1.2 Дегумификация почв 8
1.2 Почвозащитные и ресурсосберегающие системы обработки почвы 9
1.2.1 Технология нулевой обработки почвы 11
1.2.2 Перспективы использования нулевой обработки почвы для увеличения почвенных запасов органического вещества 14
1.3 Показатели качества почвы 16
1.3.1 Физические и химические показатели качества почв 16
1.3.2 Биологические показатели качества почв 19
2. ОБЪЕКТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ 21
2.1 Физико-географическая характеристика района исследования 21
2.1.1 Рельеф и геологическое строение 21
2.1.2 Климат и гидрологические условия 22
2.1.3 Почвенный покров 24
2.1.4 Риски для ведения растениеводческой деятельности в районе исследования 25
2.2 Сведения о хозяйстве ООО «Орловка» - АИЦ 26
2.3 Характеристика объектов исследования и подхода к отбору почвенных образцов 26
3. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ 29
3.1 Плотность сложения почвы 29
3.2 Активная кислотность почвы 30
3.3 Содержание общего углерода и азота 31
3.4. Фракционирование почвенного органического вещества 31
3.5 Микробные свойства почвы 32
3.6 Статистическая обработка данных 33
4. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ 34
4.1 Физико-химические показатели агрочерноземов при нулевой и традиционной технологиях обработки почвы 34
4.2 Микробиологические показатели агрочерноземов при нулевой и традиционной технологиях обработки почвы 37
ВЫВОДЫ 39
ЛИТЕРАТУРА 41
Почва важный элемент экосистемы. Она является центральным звеном во взаимодействии геологического и биологического круговоротов вещества в ландшафте, служит средой обитания живых организмов, обеспечивает преобразование и утилизацию отходов жизнедеятельности растений и животных, а также выполняет ряд других глобальных экологических функций (Национальный атлас почв России, 2014).Кроме того, почва является основополагающим компонентом экологической устойчивости, и улучшение её свойств является инструмент в решении актуальных проблем современности, таких как: изменение климата, сокращение биоразнообразия, водная, энергетическая и продовольственная безопасность. Однако, способность почвы выполнять свои функции, будет зависеть от её состояния (качества), которое, под воздействием антропогенной деятельности может существенно ухудшаться(Bouma and McBratney, 2013; Hartemink and McBratney, 2008).
Одним из видов деятельности, оказывающим значительное влияние на состояние почв является сельское хозяйство. В гонке за повышением урожайности и стремлением к производству как можно большего объема сельскохозяйственной продукции, аграрный сектор негативно воздействует на окружающую среду. Применение традиционных агротехнологических процессов, в основе которых интенсивная вспашка земель в сочетании с удалением растительных остатков либо их сжиганием в поле приводят к ухудшению качества почвы и прогрессирующей деградации сельскохозяйственных земель, что в свою очередь угрожает способности почв выполнять свои функции (Соколов, Глинушкин, 2019). Деградация уже затрагивает более четверти почв мира, а растущая интенсивность землепользования еще больше усилит её (Lal and Stavi, 2015;Tsiafouli et al., 2015).Сегодня специалисты осознают данную проблему, поэтому активно разрабатываются и внедряются концепции и методы экологически сбалансированного и устойчивого земледелия. К таким подходам относится почвозащитное и ресурсосберегающее земледелие (ПРЗ), которое в последние годы широко пропагандируется и внедряется в мире, в том числе и на территории РФ(Орлова, Орлов, 2021). ПРЗ, в частности технология нулевой обработки почвы, зарекомендовали себя в качестве эффективного метода в борьбе с водной и ветровой эрозией почв, а также сохранения почвенной влаги, что особенно критично для зон с засушливым климатом. К таким эрозионно-опасным и засушливым регионам в нашей стране относится территория Среднего Поволжья, где распространены черноземы – наиболее интенсивно используемые в земледелии почвы.
Продолжительное и нерациональное использования черноземов Среднего Поволжья привело к значительному истощению их почвенных запасов органического вещества (ОВ). Согласно экспертным оценкам, с конца 70-х гг. ежегодные потери почвенного ОВ в пределах пахотных земель региона составляют 0,1-3,8 т/га (Зудилин, 2014). Такая дегумификация черноземов неминуемо влечет за собой ухудшение и других ценных показателей качества почвы: структуры, плотности сложения, водно-воздушные условий, питательного режима, биологической активности, буферной способности и пр. Переход на ПРЗ, в частности нулевую технологию, можно рассматривать как альтернативный способ решения данной проблемы. Такая технология предполагает полный отказ от механической обработки почвы и максимальное сохранение растительных остатков на поверхности плоя в виде тщательно измельченной мульчи. В результате этого постепенно улучшается структура почвы и повышается ее биологическая активность(Гилев и др., 2015). Однако эффективность данной ПРЗ технологии в повышении и сохранении почвенных запасов ОВ остается до сих пор дискуссионной из-за имеющихся в научной литературе противоречивых данных (Niu et al., 2019; Christopher et al., 2009; Кураченко, Колесник, 2017). Этот факт подчеркивает актуальность проведения научных исследований, направленных на изучение динамики показателей качества почвы, в частности накопление углерода, при переходе от традиционной обработки почвы (отвальная вспашка) на нулевую.
Сегодня в нашей стране актуальность исследования данной технологии обостряется еще и в связи с ускоренной интенсификацией сельскохозяйственного производства, вызванной необходимостью усиления импортозамещения. Однако при этом не стоит забывать, что использование сельскохозяйственных земель должно происходить с минимальным ущербом для окружающей среды. Так согласно Распоряжению Правительства РФ от 2 февраля 2015 года, N 151-р (Об утверждении Стратегии устойчивого развития сельских территорий Российской Федерации на период до 2030 года), важными условиями реализации эффективной политики импортозамещения являются воспроизводство и повышение эффективности использования в сельском хозяйстве земельных ресурсов и экологизация производства. ПРЗ, в частности, нулевая технология, отвечают данным требованиям. Кроме всего прочего, востребованность исследований влияния нулевой технологии на накопление почвенного углерода, также связана с реализацией долгосрочной национальной стратегии “низкоуглеродного” развития, включающей в том числе поиск и внедрение агротехнологий, препятствующих активной минерализации почвенного ОВ и способствующих его накоплению (Парижское соглашение, 2015; Иванов и др., 2021).
Цель работы – оценка влияния технологии нулевой обработки почвы на динамику физико-химических и микробных свойств агрочерноземов Среднего Поволжья для определения ее эффективности в улучшении качества сельскохозяйственных почв, в том числе в повышении и сохранении их запасов органического вещества.
Задачи:
1. Изучить основные проблемы деградации сельскохозяйственных почв, выявить наиболее характерные из них для регионов с недостаточным увлажнением и неоднородным рельефом.
2. Рассмотреть основные виды почвозащитных и ресурсосберегающих систем обработки почв, оценить целесообразность применение нулевой технологии в условиях Среднего Поволжья, учитывая климатические особенности и рельеф территории.
3. Разработать подход к отбору почвенных образцов с учетом продолжительности применения нулевой обработки, неоднородности рельефа и рекомендациям ФАО по глубине отбора почвенных образцов. Осуществить отбор образцов из агроценозов с нулевой и традиционной обработками в условиях Среднего Поволжья (Самарская обл.; октябрь 2022).
4. Выбрать показатели качества почвы, позволяющие оценить эффективность применения нулевой технологии в повышении качества агрочерноземов Среднего Поволжья. Определить физико-химические (плотность сложения, значение рН, общие запасы углерода, соотношение в них С/N, фракций дисперсного и минерально-ассоциированного органического вещества) и микробные (биомассу и потенциальную скорость минерализации почвенного органического вещества (базальное дыхание) показатели почвы.
5. Произвести сравнительный анализ физико-химических и микробных свойств почв при их нулевой и традиционной обработках.
6. Оценить эффективность нулевой технологии в увеличении и сохранении почвенных запасов углерода.
Работа была выполнена в рамках одной из задач Государственного задания № 122111000095-8 «Мониторинг динамики углерода в наземных экосистемах России и оценка эффективности технологий его секвестирования» Института физико-химических и биологических проблем почвоведения РАН (г. Пущино, Московская область).
Одним из видов деятельности, оказывающим значительное влияние на состояние почв является сельское хозяйство. В гонке за повышением урожайности и стремлением к производству как можно большего объема сельскохозяйственной продукции, аграрный сектор негативно воздействует на окружающую среду. Применение традиционных агротехнологических процессов, в основе которых интенсивная вспашка земель в сочетании с удалением растительных остатков либо их сжиганием в поле приводят к ухудшению качества почвы и прогрессирующей деградации сельскохозяйственных земель, что в свою очередь угрожает способности почв выполнять свои функции (Соколов, Глинушкин, 2019). Деградация уже затрагивает более четверти почв мира, а растущая интенсивность землепользования еще больше усилит её (Lal and Stavi, 2015;Tsiafouli et al., 2015).Сегодня специалисты осознают данную проблему, поэтому активно разрабатываются и внедряются концепции и методы экологически сбалансированного и устойчивого земледелия. К таким подходам относится почвозащитное и ресурсосберегающее земледелие (ПРЗ), которое в последние годы широко пропагандируется и внедряется в мире, в том числе и на территории РФ(Орлова, Орлов, 2021). ПРЗ, в частности технология нулевой обработки почвы, зарекомендовали себя в качестве эффективного метода в борьбе с водной и ветровой эрозией почв, а также сохранения почвенной влаги, что особенно критично для зон с засушливым климатом. К таким эрозионно-опасным и засушливым регионам в нашей стране относится территория Среднего Поволжья, где распространены черноземы – наиболее интенсивно используемые в земледелии почвы.
Продолжительное и нерациональное использования черноземов Среднего Поволжья привело к значительному истощению их почвенных запасов органического вещества (ОВ). Согласно экспертным оценкам, с конца 70-х гг. ежегодные потери почвенного ОВ в пределах пахотных земель региона составляют 0,1-3,8 т/га (Зудилин, 2014). Такая дегумификация черноземов неминуемо влечет за собой ухудшение и других ценных показателей качества почвы: структуры, плотности сложения, водно-воздушные условий, питательного режима, биологической активности, буферной способности и пр. Переход на ПРЗ, в частности нулевую технологию, можно рассматривать как альтернативный способ решения данной проблемы. Такая технология предполагает полный отказ от механической обработки почвы и максимальное сохранение растительных остатков на поверхности плоя в виде тщательно измельченной мульчи. В результате этого постепенно улучшается структура почвы и повышается ее биологическая активность(Гилев и др., 2015). Однако эффективность данной ПРЗ технологии в повышении и сохранении почвенных запасов ОВ остается до сих пор дискуссионной из-за имеющихся в научной литературе противоречивых данных (Niu et al., 2019; Christopher et al., 2009; Кураченко, Колесник, 2017). Этот факт подчеркивает актуальность проведения научных исследований, направленных на изучение динамики показателей качества почвы, в частности накопление углерода, при переходе от традиционной обработки почвы (отвальная вспашка) на нулевую.
Сегодня в нашей стране актуальность исследования данной технологии обостряется еще и в связи с ускоренной интенсификацией сельскохозяйственного производства, вызванной необходимостью усиления импортозамещения. Однако при этом не стоит забывать, что использование сельскохозяйственных земель должно происходить с минимальным ущербом для окружающей среды. Так согласно Распоряжению Правительства РФ от 2 февраля 2015 года, N 151-р (Об утверждении Стратегии устойчивого развития сельских территорий Российской Федерации на период до 2030 года), важными условиями реализации эффективной политики импортозамещения являются воспроизводство и повышение эффективности использования в сельском хозяйстве земельных ресурсов и экологизация производства. ПРЗ, в частности, нулевая технология, отвечают данным требованиям. Кроме всего прочего, востребованность исследований влияния нулевой технологии на накопление почвенного углерода, также связана с реализацией долгосрочной национальной стратегии “низкоуглеродного” развития, включающей в том числе поиск и внедрение агротехнологий, препятствующих активной минерализации почвенного ОВ и способствующих его накоплению (Парижское соглашение, 2015; Иванов и др., 2021).
Цель работы – оценка влияния технологии нулевой обработки почвы на динамику физико-химических и микробных свойств агрочерноземов Среднего Поволжья для определения ее эффективности в улучшении качества сельскохозяйственных почв, в том числе в повышении и сохранении их запасов органического вещества.
Задачи:
1. Изучить основные проблемы деградации сельскохозяйственных почв, выявить наиболее характерные из них для регионов с недостаточным увлажнением и неоднородным рельефом.
2. Рассмотреть основные виды почвозащитных и ресурсосберегающих систем обработки почв, оценить целесообразность применение нулевой технологии в условиях Среднего Поволжья, учитывая климатические особенности и рельеф территории.
3. Разработать подход к отбору почвенных образцов с учетом продолжительности применения нулевой обработки, неоднородности рельефа и рекомендациям ФАО по глубине отбора почвенных образцов. Осуществить отбор образцов из агроценозов с нулевой и традиционной обработками в условиях Среднего Поволжья (Самарская обл.; октябрь 2022).
4. Выбрать показатели качества почвы, позволяющие оценить эффективность применения нулевой технологии в повышении качества агрочерноземов Среднего Поволжья. Определить физико-химические (плотность сложения, значение рН, общие запасы углерода, соотношение в них С/N, фракций дисперсного и минерально-ассоциированного органического вещества) и микробные (биомассу и потенциальную скорость минерализации почвенного органического вещества (базальное дыхание) показатели почвы.
5. Произвести сравнительный анализ физико-химических и микробных свойств почв при их нулевой и традиционной обработках.
6. Оценить эффективность нулевой технологии в увеличении и сохранении почвенных запасов углерода.
Работа была выполнена в рамках одной из задач Государственного задания № 122111000095-8 «Мониторинг динамики углерода в наземных экосистемах России и оценка эффективности технологий его секвестирования» Института физико-химических и биологических проблем почвоведения РАН (г. Пущино, Московская область).
Доминирующими процессами деградации сельскохозяйственных земель в условиях засушливого климата и холмистого рельефа Среднего Поволжья являются водная и ветровая эрозия, а также дегумификация почв. Ежегодные потери почвенного ОВ в пределах пахотных земель региона составляют 0,1-3,8 т/га. Для борьбы с этими негативными процессами могут применяться почвозащитные и ресурсосберегающие системы земледелия. Учитывая особенности исследуемой территории (климат, рельеф, тип почв) наиболее оптимальной почвозащитной технологией в условиях Среднего Поволжья является нулевая обработка почв. Для оценки эффективности данной технологии в улучшении качества сельскохозяйственных почв исследуемого района были проанализированы их основные физико-химические и микробные свойства (слои 0-10 и 10-30 см) в сравнении с таковыми для традиционной обработки. Для репрезентативности результатов, почвенные образцы отбирали с учетом холмистости рельефа, типичного для данной территории.
Результаты исследования показали, что переход от традиционной обработки агрочерноземов к нулевой в первые 5-8 лет ее применения значимо повышает их плотность сложения в верхнем 10-ти см слое (с 1.0 до 1.1 г/см³), и напротив, - снижает значение рН (с 7.2 до 6.8-6.9). При этом важно отметить, что плотность агрочерноземов с нулевой обработкой не превысила критического уровня для сельскохозяйственных почв, а реакция почвенной среды в целом осталась близка к нейтральной, что является типичным для черноземного типа почв.
От традиционной обработки к нулевой отмечается тренд увеличения средних значений запасов С в верхнем 10-ти см слое агрочерноземов (на 0,3 -0,4 кг/м2). Кроме того, чем дольше применяется данная ресурсосберегающая технология, тем более равномерно в пространстве распределяются запасы С (коэффициент вариации уменьшается с 19% до 11%), нивелируя влияние рельефа на их накопление и сохранение.
Применение нулевой технологии значимо изменяет фракционный состав ОВ в верхнем 10-ти см слое увеличивая в нем долю более устойчивой к биодеструкции фракции МАОМ (с 62% до 73 %). При этом другой индикатор качества ОВ – отношение C/N, заметно не меняется (в среднем 13,0-13,5 для обеих агротехнологий).
Применение нулевой обработки агрочерноземов также значимо увеличило их обилие микробной биомассы (Смик) в верхнем 10-ти см слое на 184 -301 мкг С / г по сравнению с традиционной обработкой. При этом, микробная минерализационная активность почвы (базальное дыхание), напротив, - снижалась в 2-3 раза, способствуя большему накоплению и сохранению ОВ в почве.
В целом, полученные нами данные, демонстрируют эффективность применения технологии нулевой обработки почв в улучшении качества агрочерноземов Среднего Поволжья через значимое увеличение обилия микробной биомассы - важного источника и стока доступных элементов минерального питания растений (N, P, S). При этом, снижение минерализационной активности ОВ почвы и увеличение в нем доли стабилизированной фракции могут указывать на возможные перспективы применения нулевой технологии в повышении и сохранении почвенных запасов ОВ в условиях Среднего Поволжья. Поскольку органический углерод является ключевым фактором, влияющим на функционирование почвы такие данные, показывают перспективность дальнейшего исследования и применения нулевой технологии не только с точки зрения повышения плодородия почв, но и с точки зрения экологии и рационального природопользования.
Результаты исследования показали, что переход от традиционной обработки агрочерноземов к нулевой в первые 5-8 лет ее применения значимо повышает их плотность сложения в верхнем 10-ти см слое (с 1.0 до 1.1 г/см³), и напротив, - снижает значение рН (с 7.2 до 6.8-6.9). При этом важно отметить, что плотность агрочерноземов с нулевой обработкой не превысила критического уровня для сельскохозяйственных почв, а реакция почвенной среды в целом осталась близка к нейтральной, что является типичным для черноземного типа почв.
От традиционной обработки к нулевой отмечается тренд увеличения средних значений запасов С в верхнем 10-ти см слое агрочерноземов (на 0,3 -0,4 кг/м2). Кроме того, чем дольше применяется данная ресурсосберегающая технология, тем более равномерно в пространстве распределяются запасы С (коэффициент вариации уменьшается с 19% до 11%), нивелируя влияние рельефа на их накопление и сохранение.
Применение нулевой технологии значимо изменяет фракционный состав ОВ в верхнем 10-ти см слое увеличивая в нем долю более устойчивой к биодеструкции фракции МАОМ (с 62% до 73 %). При этом другой индикатор качества ОВ – отношение C/N, заметно не меняется (в среднем 13,0-13,5 для обеих агротехнологий).
Применение нулевой обработки агрочерноземов также значимо увеличило их обилие микробной биомассы (Смик) в верхнем 10-ти см слое на 184 -301 мкг С / г по сравнению с традиционной обработкой. При этом, микробная минерализационная активность почвы (базальное дыхание), напротив, - снижалась в 2-3 раза, способствуя большему накоплению и сохранению ОВ в почве.
В целом, полученные нами данные, демонстрируют эффективность применения технологии нулевой обработки почв в улучшении качества агрочерноземов Среднего Поволжья через значимое увеличение обилия микробной биомассы - важного источника и стока доступных элементов минерального питания растений (N, P, S). При этом, снижение минерализационной активности ОВ почвы и увеличение в нем доли стабилизированной фракции могут указывать на возможные перспективы применения нулевой технологии в повышении и сохранении почвенных запасов ОВ в условиях Среднего Поволжья. Поскольку органический углерод является ключевым фактором, влияющим на функционирование почвы такие данные, показывают перспективность дальнейшего исследования и применения нулевой технологии не только с точки зрения повышения плодородия почв, но и с точки зрения экологии и рационального природопользования.