Влияние осушительной мелиорации на экологическое состояние дерново-подзолистых минеральных земель

ВВЕДЕНИЕ

Проблема взаимодействия человека с природой - проблема вечная и одновременно современная. Растущая антропогенная нагрузка и интенсивное землепользование влияют на экологическое состояние почвенного покрова. В настоящее время в связи с всё большей интенсификацией промышленности и сельского хозяйства становится актуальным установление последствий антропогенного влияния.

Естественное состояние почв часто не соответствует требованиям, которые к ним предъявляются, что вызывает необходимость проведения мероприятий по их улучшению. Система организационных, хозяйственных и технических мероприятий, задачей которых является коренное улучшение неблагоприятных свойств почв, а также условий их использования, называется мелиорацией (от лат. melioratio – улучшение).

Осушительная мелиорация вызывает коренное изменение свойств почв и условий почвообразования. Она приводит к усилению аэрации почвы, обеспечению аэробных условий разложения органического вещества благодаря удалению избытков влаги и поддержанию нужной структуры почвы. Оструктуривание почвы поддерживает воздухо- и водопроницаемость, в результате чего влага распределяется по глубине, предохраняя от переувлажнения корнеобитаемые слои почвы.

Удаление излишней влаги с осушаемой территории обеспечивает ее эффективное сельскохозяйственное использование. Наиболее существенное действие осушения - влияние его на аэрацию почвы. Осушительные мероприятия понижают средний уровень грунтовых вод на осушаемой территории и уменьшают амплитуды его колебания, что положительно влияет на условия дыхания растений, а также повышают температуру почвы благодаря удалению влаги.

Повышая аэрацию и температуру почвы, осушение благоприятно влияет на условия и направления микробиологических процессов в ней. Анаэробные (без доступа воздуха) процессы разложения вещества сменяются аэробными. Это сопровождается более полной минерализацией органического вещества, элементы которого образуют окисленные соединения - нитраты, фосфаты, сульфаты и др. Таким образом, почва обогащается питательными для растений веществами в подвижной и удобоусвояемой форме.

Под влиянием осушения происходит свертывание коллоидов почвы - почва оструктуривается и прочность ее увеличивается. Прочность почвы увеличивается также в результате сжимания при высыхании глинистых фракций. Структурообразованию способствуют процессы промерзания: замерзающая почвенная влага, расширяясь, раздвигает частицы почвы.

Урожайность сельскохозяйственных культур на осушаемых землях     (в особенности на землях с двусторонним регулированием водного режима) значительно выше, чем на переувлажненных.

Однако интенсивная эксплуатация мелиоративных земель, продолжительный срок их использования в сельскохозяйственном производстве и бессистемное антропогенное (техногенное) воздействие на них привели к их частичной деградации (потере гумуса, значительной сработке органического вещества), а также к химическому загрязнению. Поэтому в настоящее время важными задачами являются повышение продуктивности длительно используемых мелиорированных земель и экологическая защита их от воздействия техногенеза [21, c. 395].

Цель работы: Изучить влияние осушительной мелиорации на экологическое состояние дерново-подзолистых минеральных земель.

Задачи работы:

1. Проследить динамику кислотности в осушенных дерново-подзолистых минеральных почвах.
2. Изучить содержание подвижных форм калия и фосфора в осушенных дерново-подзолистых минеральных почвах.
3. Оценить изменение концентраций нитратного азота на осушенных дерново-подзолистых минеральных почвах.
4. Рассмотреть водно физические свойства дерново-подзолистых почв в зависимости от характера их исследования.
5. Описать водный режим дерново-подзолистых почв.

ГЛАВА 1.  ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1. Кислотность почв и биологические аспекты ее снижения

Всякая почва обладает определенной реакцией, которая проявляется при взаимодействии с водой или растворами солей и может быть кислой, нейтральной или щелочной. Реакция почвы оказывает большое влияние на развитие растений и усвоение ими элементов питания, жизнедеятельность почвенных микроорганизмов, скорость  направленность химических и биохимических процессов: разрушение почвенных минералов, растворение труднорастворимых соединений, минерализацию органических остатков и гумификацию, коагуляцию и пептизацию коллоидов, на эффективность вносимых в почву удобрений [23, c. 67].

Состав поглощенных катионов определяет многие свойства почв, прежде всего с ним связана реакция почв. Реакция почв – это физико-химическое свойство почвы, обусловленное активностью ионов водорода () и гидроксил-ионов () в твердой и жидкой фазах почв. Если в почве преобладают ионы водорода, то реакция её кислая, если гидроксил-ионы – щелочная [13, c. 134].

Реакция почв измеряется величиной pH, которая представляет собой отрицательный логарифм активности водородных ионов. В различных почвах pH может быть от 3,5 до 9 и более.

Кислотность почв — это способность почвы подкислять почвенный раствор. Носителями кислотности могут быть почвенный раствор и почвенные коллоиды. Кислотность обусловливается наличием ионов водорода и алюминия в почвенном растворе и в поглощающем комплексе. В зависимости от места нахождения этих ионов она делится на два вида: актуальную (активную) и потенциальную (скрытую), которая, в свою очередь, подразделяется на обменную и гидролитическую [6, c. 112].

Актуальная кислотность – кислотность почвенного раствора, обусловленная повышенной концентрацией ионов водорода по сравнению с ионами гидроксила. Она определяется наличием в почвенном растворе водорастворимых кислот – щавелевой, лимонной, фульвокислот, гидролитических кислых солей, и, прежде всего, угольной кислоты. Всегда образующаяся в почвенном растворе в результате биологической деятельности угольная кислота диссоциирует на ионы и и раствор становится кислым из-за повышения концентрации ионов . Для большинства почв pH почвенного раствора колеблется от 4 до 8.

Актуальная кислотность тесно связана с потенциальной кислотностью, по сравнению с которой невелика, но более динамична.

Потенциальная кислотность – кислотность твердой фазы почвы. Она обусловлена наличием ионов водорода и алюминия в ППК в обменном состоянии. По способу ее определения различают обменную и гидролитическую кислотность.

Обменная кислотность обусловлена наличием в поглощенном состоянии ионов водорода и алюминия, способных обмениваться на катионы нейтральных солей, например хлорида калия.

У почв с повышенной обменной кислотностью неблагоприятные агрономические свойства, которые могут быть улучшены известкованием и внесением достаточного количества органических удобрений.

Обменная кислотность регулирует реакцию почвенного раствора. Она подкисляет  нейтральный почвенный раствор или увеличивает актуальную кислотность благодаря воздействию твердой фазы почвы с катионами растворимых солей, образующихся при минерализации органических веществ, или с катионами вносимых в почву минеральных удобрений, которые вытесняют обменно поглощенные ионы водорода и алюминия в раствор.

Гидролитическая кислотность определяется наличием в почве поглощенных ионов водорода и алюминия, способных обмениваться на катионы гидролитических щелочных солей.

В случае, когда определяется вся кислотность почвы, как актуальная, так и потенциальная, уровень гидролитической кислотности значительно больше обменной [6, c. 115].

Для дерново-подзолистых почв характерна сильнокислая реакция среды (pH 5,0-6,0). Состояние фосфатов, соединений железа, алюминия, марганца, кальция, калия, бора, кобальта, йода аналогично резкокислым условиям. Понижена бактериальная деятельность, активизирована грибная. Для почв с таким pH при суглинистом и особенно глинистом гранулометрическом составе характерны плохие физические свойства – склонность к уплотнению. Весной эти почвы не созревают, а постепенно высыхают. Благоприятные условия обработки бывают только в очень узком диапазоне влажности: то почва сырая и дает пласты, далее легко ссыхающиеся в глыбы, то сухая и пашня глыбистая. Объясняется это тем, что весной образующаяся углекислота при этом pH не вытесняет , а соединения алюминия и железа также еще не образуют достаточного количества ионов [15, c. 85].

Снижение повышенной кислотности почвы и оптимизация этого показателя не только обеспечивает увеличение урожая сельскохозяйственных культур и эффективности применяемых удобрений, но и существенно улучшает почву, как живую специфическую природную систему. Указанное особенно четко проявляется на активизации и регулировании равновесия деятельности биоты почвы – незаменимой составной части этой системы [3, c. 39].

2. Подвижные формы фосфора и калия в минеральных почвах

Фосфор – исключительно важный биогенный элемент. Он входит в состав важнейших макромолекул клетки – некоторых белков, нуклеиновых и аденозинфосфорных кислот [1, c. 143].

Фосфор является не возобновляемым ресурсом, находится в верхних слоях почвы. Содержание фосфора в почве – показатель ее окультуренности. Обычно его содержание составляет 1,2 – 6 т/га и зависит от механического состава почвы и содержания гумуса [4, c. 196].

Фосфор в отличие от других элементов питания быстро поглощается почвой, поэтому растения используют фосфаты не удобрений, а соединений, которые образовались при взаимодействии с почвами. Фосфорный режим почвы определятся растворимостью фосфорных соединений почв и вносимых удобрений. Фосфорное равновесие почвенного раствора может изменяться под влиянием фосфатов твердой фазы, синтеза и распада органических и минеральных соединений, воздействия растений и жизнедеятельности микроорганизмов [12, c. 88].

В почве фосфор находится в форме органических и минеральных соединений. Органические соединения представлены нуклеиновыми кислотами, нуклеопротеидами, фосфатидами, сахарофосфатами и др. Минеральные соединения фосфора содержатся в почвах главным образом в виде солей кальция, магния, железа и алюминия ортофосфорной кислоты. Фосфор может находиться в почве в составе минералов апатита, фосфорита и вивианита, а также в поглощенном состоянии в виде фосфат-аниона          [23, c. 175].

 Фосфор обладает малой  подвижностью, накапливается в удобренном  гумусовом слое дерново-подзолистых  земель, пронизанном корнями растений. Фиксация фосфора происходит  в результате связывания его  с кальцием, магнием, алюминием и  железом. Ионы  поглощаются глинистыми минералами. Сначала этот процесс носит обменный характер, затем переходит в химический с образованием С химической адсорбцией связано неполное использование фосфора удобрений. Коэффициент использования фосфорных удобрений колеблется от 5 % до 35%, в среднем 20%. На кислых почвах он составляет меньшую величину. Коэффициент использования также зависит от культуры, под которую вносят удобрения. Высушивание почвы увеличивает подвижность фосфора за счет разрушения агрегатов при последующем их смачивании [8, c. 197].

В целом при среднем содержании подвижного фосфора в почвах 190 мг/кг наблюдается большая его пестрота (таблица 1). Есть почвы очень бедные (5% - 1 группа, 12% - 2 группа), преобладают почвы 3 и 4 групп, но есть и зафосфаченные (13% - 5 группа, 6% - 6 группа). Причины зафосфачивания известны: слабая подвижность и химическое поглощение фосфора, а также применение высоких доз фосфорных удобрений и внесение фосфора в запас.  Правда в настоящее время строгая дозировка дефицитных и дорогих фосфорных удобрений с учетом содержания подвижного фосфора в почве практически «снимает» вторую причину зафосфачивания.

Если говорить о зафосфачивании, то следует отметить как плюсы, так и минусы этого явления. Отрицательные моменты зафосфачивания: депрессия урожаев зерновых, снижение сахаристости сахарной свеклы, снижение белка в зерне, «перерасход» азота на формирование урожая при очень высоком содержании фосфора. Положительная сторона: создание запаса фосфора в почве и отсутствие необходимости внесения фосфорных удобрений           [12, c. 90].

Таблица 1

Содержание подвижных форм фосфора в дерново-подзолистых минеральных почвах Беларуси [16, c. 135, таблица 1]

Кислые почвы содержат химически активные формы железа и алюминия. Фосфор в них в большей степени находится в виде фосфатов железа и алюминия и др.] или связан полутораоксидами в виде адсорбционных соединений, способных к частичному обмену фосфат-ионами, входящими в их состав [23, c. 175].

В нейтральных или слабощелочных почвах преобладают фосфаты кальция. В почвах, богатых кальцием, фосфаты кальция постепенно переходят в наиболее устойчивую форму гидроксилапатита ∙ , более основную, чем трехкальциевый фосфат  .

Соединения фосфора – не только важнейший элемент питания растений, они также благоприятно влияют на физические и биологические свойства почвы. Эти соединения способствуют протеканию в почве коллоидно-химических и микробиологических процессов, определяющих образование и поддержание водоустойчивой структуры. Структурные агрегаты, обогащенные ионами фосфора, содержат коллоиды, которые устойчивы против набухания и свертывания под влиянием внешних воздействий [23, c. 176].

Почвы, хорошо обеспеченные фосфорной кислотой, чаще всего отличаются хорошим структурным состоянием, а также высокой биологической активностью, так как фосфорная кислота одновременно оказывает положительное действие и на жизнь бактерий в почве.

Для многих микробов, а также свободноживущих азотфиксаторов характерно высокое содержание в их организмах . Но в основном фосфорные удобрения стимулируют развитие клубеньковых бактерий, живущих симбиотически на корнях бобовых растений.

Калий важен для оптимального роста растений, получения высоких урожаев, а также для поддержания плодородия почв. Аналогично фосфору содержание калия не в виде элементарного калия, а в виде оксида       [23, c. 177].

Содержание калия (в разных почвах колеблется от 0,5 до 3%. Оно зависит от типа образования почв, минералогического и гранулометрического составов и степени выветривания минералов. Больше содержится калия в глинистой фракции почвы. Поэтому тяжелые глинистые и суглинистые почвы богаче калием, чем песчаные и супесчаные. Очень бедны калием торфянистые почвы (0,03-0,05%). В большинстве суглинистых почв калия содержится 2 - 2,5% (таблица 2).

Таблица 2

Содержание подвижных форм калия в дерново-подзолистых минеральных почвах Беларуси [16, c. 137, таблица 2]

По степени подвижности и доступности растениям выделяют следующие формы калия [11, c. 167]:

• калий минерального скелета – основная часть калия почвы, входящая в состав почвообразующих калийсодержащих первичных и вторичных минералов, в основном недоступен для растений;
• калий необменный – часть калия почвы, находящаяся в структуре слюдоподобных минералов и органо-минеральных смектитовых комплексов, участвующая в формировании равновесной системы, частично доступная для растений;
• калий обменный – часть калия почвы, расположенная на поверхности органо-минеральных коллоидов и на специфических позициях вторичных минералов, практически доступная для растений;
• калий почвенного раствора – часть калия почвы, находящаяся в водорастворимой форме, в наибольшей степени подверженная внешнему воздействию, не посредственный источник питания растений.

Количество усвояемого растениями калия зависит от гранулометрического состава почв, доли калия в почвенном поглощающем комплексе, емкости катионного обмена, влажности почв и др. [13, c. 114].

При поступлении калия в почву происходит обменное и частично необменное поглощение. При необменном поглощении калий не вытесняется нейтральными солями. Такое необменное поглощение часто называют фиксацией калия почвой. Фиксация калия связана с наличием в почве коллоидных минералов. Калий проникает в кристаллическую решетку этих минералов, куда могут проникать и другие катионы. Однако степень их фиксации определяется ионным радиусом реагирующих катионов: катионы с наибольшим ионным радиусом фиксируются быстрее. Все катионы по этому признаку можно объединить в две большие группы [11, c. 167]:

• хорошо фиксируемые - (с ионным диаметром 2,66…3,38);
• слабофиксируемые - (с ионным диаметром 1,20…1,98).

Попеременное увлажнение и высушивание почвы способствует фиксации калия. В почве между фиксированным, обменным и водорастворимым калием существует определенное подвижное равновесие. В условиях сильного увлажнения калий фиксируется преимущественно иллитом и почти не фиксируется монтмориллонитом. Но при высушивании почвы калий фиксируют оба эти минерала. Энергия фиксации калия иллитом возрастает с увеличением pH. Для монтмориллонита при доведении реакции почвы от кислой до pH 6,6 способность фиксации уменьшается, а дольше остается постоянной.

Миграция калия по профилю почв зависит от емкости катионного обмена, доз удобрений и кислотности почвы. Она существенно возрастает в легких почвах. При длительном систематическом применении калийных удобрений в условиях многолетних полевых опытов (Прокошев, 1984) при ежегодном внесении в дозе 60…90 кг/га на трех наиболее типичных дерново-подзолистых почвах разного гранулометрического состава заметная миграция калия удобрений до глубины 100 см наблюдалась только на легких почвах. На тяжелых суглинках при данном уровне содержания обменного калия миграция калия удобрений глубже 40 см была незначительной, а на средних – наблюдалась до глубины 60 см.

В режиме калия заметную роль играют биологические механизмы, в частности, некоторые виды микроорганизмов способны разлагать силикаты и переводить содержащийся в них калий в усвояемые для растений формы. В тоже время микроорганизмы, как и высшие растения, поглощая усвояемый калий, накапливают его в своих клетках. Этот фиксированный живыми организмами калий пополняет запасы усвояемого калия лишь после отмирания микроорганизмов и растений. В процессе извлечения калия из минералов в определенной степени участвуют растения, хотя в основном они используют водорастворимы и обменный калий [11, c. 168].

Биологическая активность и плодородие почвы при использовании калийных удобрений повышаются не очень сильно, но довольно заметно, особенно если калийные удобрения вносят одновременно с навозом и в почве достаточно кальция и фосфора. Поскольку навоз подщелачивает почву, повышается поглощение почвенного калия. Наряду с этим усиливается поглощение растениями фосфора, магния, азота [23, c. 180].

3. Нитратный азот в дерново-подзолистых почвах

Общие запасы азота в земной коре составляют десятки миллиардов тонн. В основном он присутствует в виде органических соединений. В почвах в среднем содержится общего азота, %: в супесчаной 0,05-0,07; в суглинистой 0,1-0,2; в торфянистой 0,6-1 [16, c. 138].

Азот в почве представлен органической и неорганической формами. Органический азот – продукт разложения микроорганизмами растительных и животных остатков. Включает активную фазу, которая представлена микробной биомассой и пассивную фазу, не участвующую во внутрипочвенном азотном цикле. Это преимущественно органическое вещество, устойчивое к микробному разложению. Неорганический азот представлен в почве нитратной, нитритной и аммиачной формами, которые еще называют подвижными формами азота. Количество его составляет около 2% от всего азота почвы [7, c. 375].

Основные источники нитратов (а значит и азота) в ненарушенных и агроландшафтах – это органическое вещество почвы, минерализация которого обеспечивает постоянное образование нитратов. Скорость минерализации органического вещества зависит от его состава, совокупности экологических факторов, степени и характера землепользования. Поэтому динамика нитратов в земных экосистемах определенным образом связана с малым биологическим круговоротом азота.

Большое значение имеет скорость минерализации азота. Разложение органических азотистых веществ в почве происходит следующим образом: белки, гуминовые вещества, аминокислоты, амиды, аммиак, нитриты, нитраты. В результате процесса нитрификации образуются органические кислоты, спирты, угольная кислота и аммиак. Органические кислоты и спирты разлагаются до , метана. Аммиак с кислотами образует соли, аммоний поглощается почвенными коллоидами и глинистыми минералами. Процесс аммонификации идет в аэробных и анаэробных условиях, но в анаэробных условиях при сильнокислой и сильнощелочной реакциях среды он замедляется.

В аэробных условиях соли аммония окисляются до нитратов, образуется азотная кислота, которая нейтрализуется бикарбонатом кальция и поглощенными основаниями почвы. При влажности почвы 60-70%, температуре +25-32˚С и pH 6,2-8,2 нитрификация идет интенсивно. Содержание нитратов (2-20 мг/кг почвы) зависит от использования почвы. Под паром и какой-либо культурой содержание нитратов различно. В дерново-подзолистой почве при кислой реакции, избыточной влажности, плохой аэрации и низкой температуре процесс минерализации останавливается на стадии образования аммиака. Нитрификация подавляется осенью и ранней весной, а летом этот процесс протекает интенсивно. Улучшение аэрации в результате обработки почвы, а также известкование усиливают нитрификацию. Внесение минеральных и органических удобрений обогащает почву элементами питания, усиливая минерализацию [10, c. 151].

Фиксацию азота из воздуха осуществляют, как было показано ранее, две группы микроорганизмов: свободноживущие, использующие в качестве источника энергии органическое вещество почвы и симбиотические (клубеньковые), использующие энергию фотосинтеза растений, на корнях которых они поселяются.

Большие потери азота происходят в результате денитрификации, особенно в анаэробных условиях, щелочной среде и при большом количестве органического вещества. Внутри агрегатов почвы тоже могут создаваться анаэробные условия. Бактерии-денитрификаторы наиболее быстро окисляют органическое вещество при температуре +28-30˚С и pH 7,0-7,5.

Часть азота почвы и внесенных удобрений теряется в виде аммиака. Происходит это при внесении аммонийных солей в карбонатные почвы или мочевины поверхностно. При внесении аммиака обязательна глубокая заделка удобрений. Известкование усиливает потери аммиака из мочевины и солей аммония. Для снижения потерь азота применяют ингибиторы нитрификации (препараты, замедляющие процесс нитрификации, а вслед за ним и денитрификации), что дает возможность растениям полностью использовать азотные удобрения. Весьма эффективно применение медленнодействующих удобрений: мочевино-формальдегидных, магнийаммонийфосфата и др. Для сведения к минимуму  потерь азота необходим высокий уровень агротехники, применение высокопродуктивных сортов сельскохозяйственных культур, оптимальное соотношение элементов питания в почве, устранение избыточной кислотности.

Как уже упоминалось, азот в атмосфере инертен и входит в жизненный цикл благодаря фиксации микроорганизмами и переводу в белки. Существуют и другие пути фиксации. Дождевая вода также содержит некоторое количество нитратов, которые образуются в атмосфере при электрических разрядах. Эта дождевая вода также содержит и окислы азота от  автомобильных газов, которые вносят существенный вклад в такие проявления, как кислотные дожди. В почве приблизительно 2000-8000 кг азота/га. Небольшая часть переходит в доступную форму (51-100 кг/га) в виде нитратов и аммиака. В течение года растения поглощают 1-2,5% от общего содержания азота в гумусе [24, c. 98].

На основании вышесказанного можно выделить основные приемы регулирования азотного режима [23, c. 174]:

• увеличение органической части в твердой фазе почвы путем внесения органических удобрений (навоз, торф), широкое использование растительных остатков (стерня, солома и др.), возделывание сидеральных культур, совершенствование севооборота;
• увеличение содержания в почве подвижных форм азота, используемых растениями, путем внесения минеральных удобрений;
• создание условий для фиксации атмосферного азота;
• повышение эффективности использования азота почвы путем регулирования реакции почвенного раствора; уменьшение темпов минерализации органического вещества почвы за счет снижения интенсивности обработки почвы;
• использование кальцийсодержащих соединений;
• совершенствование способов внесения азотных удобрений;
• совершенствование структуры посевных площадей и чередовании культур в севооборотах;
• улучшение агрофизических свойств почвы и повышение общей культуры земледелия.

4. Водно-физические свойства дерново-подзолистых почв

Почва как многофазная полидисперсная система способная поглощать и удерживать воду. В ней всегда находится определенное количество влаги. Вода поступает в почву главным образом в виде атмосферных осадков, реже в виде грунтовых вод и при конденсации водяных паров из атмосферы         [5, c. 240].

Почвенная вода является жизненной основой растений, почвенной фауны и микрофлоры, получающих воду главным образом из почвы. От содержания воды в почве зависят интенсивность протекающих в ней биологических, химических и физико-химических процессов, передвижение веществ и формирование почвенного профиля, водно-воздушный, питательный и тепловой режимы, ее физико-механические свойства, то есть, важнейшие показатели почвенного плодородия [22, c. 75].

К основным водным свойствам почвы относят ее водопроницаемость, водоудерживающую и водоподъемную способности [6, c. 143].

Водопроницаемость. Способность почвы впитывать и пропускать через себя воду называется водопроницаемостью. Ее можно разделить на две стадии. Первая стадия называется впитыванием. Она проявляется в более сухих почвах, когда свободные от влаги поры начинают заполняться водой. Вторая стадия – фильтрация. Она, как правило, проявляется во время обильных осадков. В это время в почве, которая уже полностью насыщена водой, влага начинает передвигаться под влиянием силы тяжести и градиента напора.

Интенсивность водопроницаемости почвы зависит от размера и количества пор. Легкие песчаные и супесчаные почвы, имеющие большое количество крупных пор, всегда отличаются высокой водопроницаемостью. Даже после выпадения большого количества атмосферных осадков вода на поверхности таких почв практически не задерживается и очень быстро уходит в нижние горизонты.

Для оценки водопроницаемости почв можно воспользоваться данными таблицы 3, которые были предложены Н.А. Качинским в 1970г.                      [6, c. 144, таблица 9.1]

Таблица 3

Оценка водопроницаемости почв