Агрономическая оценка влияния эрозионных процессов на физическую деградацию серых лесных почв

Введение. Биотехносфера – это область нашей планеты, в которой существует живое вещество и созданные человеком урбано-технические объекты, где проявляется их взаимодействие и их влияние на окружающую среду. В отличие о биосферы, биотехносфера не самоуправляющаяся организованная система, а сложный конгломерат многих подсистем, которыми управляет человек. Эти подсистемы не аккумулируют, а расходуют энергию, биомассу и кислород. В агрофитоценозах в отличие от естественных сообществ, нарушаются взаимосвязи, они испытывают постоянное антропогенное воздействие [7, 8]. Сельскохозяйственное использование почв изменяет биопродуктивность системы, а, следовательно, и накопление в ней энергии. Естественный ландшафт стремится отторгнуть чуждые ему элементы и вернуться к первоначальному состоянию. Изменение ландшафта, испытывающего на себе воздействие человека, может оказаться необратимым. Именно поэтому для регулирования агроэкосистем необходимо учитывать законы земледелия, принятые в земледельческой науке: законы равнозначности и незаменимости факторов жизни растений, минимума, оптимума, максимума, совокупности действия факторов, возврата, убывающего плодородия почв, которые определяют взаимодействие факторов жизни растений в процессе создания урожая [4, 5, 6, 9].

Большое значение имеет оценка допустимого уровня антропогенного воздействия на агрофитоценозы. Требования степени преобразования природных систем, как правило, запрещают при их эксплуатации переходить некоторые пределы, за которыми теряется их способность к самоподдержанию, самоорганизации и саморегулированию [1,2, 3].

Сельскохозяйственное использование почв и выбор систем земледелия основаны на оценке факторов, необходимых для жизни растений. Закон единства растений и среды (В.И. Вернадский) говорит о том, что жизнь развивается в результате постоянного обмена веществом и информацией на базе потоков энергии в совокупном единстве среды и населяющих ее организмов. Согласно В.Р. Вильямса четыре основных экологических фактора: свет, тепло, питание, вода являются равнозначными и незаменимыми.

В связи с этим, установление степени деградационных изменений и антропогенной преобразованности почв земель сельскохозяйственного назначения является актуальным и представляет теоретическую значимость для оценки особенностей проявления и развития элементарных почвенных процессов на сельскохозяйственных землях [10]. Именно это обстоятельство предопределяет практическую необходимость проведения агроэкологической и гигиенической оценки почв в зонах развития негативных процессов, ухудшающих качественное состояние земель, с целью разработки рекомендаций, направленных на предотвращение и снижение негативного антропогенного воздействия на экосистемы, что определило цель и задачи наших исследований.

Цель исследований: установить степень антропогенных изменений агрегатного состава, плотности, плотности твердой фазы, водно-физических свойств пахотных серых лесных почв земель сельскохозяйственного назначения.

При этом решению подлежат следующие задачи:

• 1.    Оценить степень вреда, причинённого почвам сельскохозяйственных земель в результате механического нарушения плодородного слоя серой лесной почвы.

• 2.    Установить степень изменения количественных показателей в агрегатном составе пахотных горизонтов серых лесных почв в зависимости от степени их антропогенной преобразованности.

• 3.    Выявить влияние эрозионных процессов на изменение водно-физических свойств почвы: плотность, плотность твердой фазы, степень их физической деградационной преобразованности.

Объекты и методы исследования: исследования проводились на земельном участке сельскохозяйственного назначения с почвенными пробами антропогенно-измененных серых лесных почв, взятыми на глубине 0-10;20-40;80-90 см и на глубине 0-20см пахотной ненарушенной серой лесной почвы.

Определение плотности и плотности твердой фазы почвы пикнометрическим методом выполняли методом Н.И. Саввинова по ГОСТ 26423-85 Почвы.

Определение агрегатного состава почвы выполняли методом Н.И.Саввинова (ГОСТ Р 56157-2014 Почва. Методы лабораторного определения агрегатного состава почвы.

Лабораторное определение гранулометрического (зернового) и микроагрегатного состава почвы. ГОСТ 12536-2014. Грунты. Методы лабораторного определения микроагрегатного состава почвы.

Отбор почвенных образцов осуществляли согласно ГОСТ 17.4.3.01-2017 «Охрана природы. Почвы. Общие требования к отбору проб». Для отбора проб почвы использовали лопату копательную остроконечную «ГОСТ 19596-87».

Результаты и обсуждение. Большое значение при разработке систем земледелия имеет закон возврата, при этом антропогенные воздействия должны выбираться с учетом направленности природных процессов, зная, что противодействие им затратно и сопряжено с экологическим риском. Вот почему большое значение имеет оценка устойчивости почв и растений к антропогенным воздействиям, антропогенным стрессам. Биосфера в целом естественной экосистемы обладает предельной хозяйственной емкостью. Превышение хозяйственной емкости нарушает устойчивость биоты и окружающей среды и приводит к деформации окружающей среды. Вот почему необходимо ограничение максимально продуктивности агроценозов и нельзя создавать почву с высоким фоном элементов питания, но загрязняющую окружающую среду и сельскохозяйственной продукцию.

Проведенные нами исследования последствий механического разрушения плодородного слоя серых лесных почв земель сельскохозяйственного назначения на установление характера изменения состава и свойств почв показали значительные отклонения в результатах оценки агрегативного состояния пахотного горизонта почвы ненарушенного земельного участка и антропогенно-измененных почв (табл. 1).

Таблица 1 – Антропогенное изменение агрегатного состава серой лесной почвы (сухое просеивание),% на сухую почву

Горизонт, глубина, см	Размер фракций, мм, содержание, %
	>10	10-7	7-5	5-3	3-2	2-1	1-0,5	0,5-0,25	<0,25
0-20 (контроль)	9,55	12,06	14,02	21,25	10,21	8,75	6,15	3,13	15,90
0-20 (антропогенно-измененная)	7,94	12,86	14,60	17,30	9,79	13,46	5,45	7,23	12,71
20-40 (антропогенно-измененная)	28,34	14,90	13,90	16,35	7,57	8,22	2,50	2,90	5,32
80-90 (антропогенно-измененная)	32,18	11,16	9,10	10,49	7,09	9,67	3,34	4,18	12,79

Устойчивость почвы к антропогенным воздействиям зависит от характера агрегатного состава почвы, ее водно-физических свойств, а именно, от плотности почвы, плотности твердой фазы, ее пористости и оценки структурного состояния. Как видно из данных таблицы 1 показатели агрегатного состава антропогенно-измененной серой лесной почвы значительно отличаются от значений, характеризующих уровень оструктуренности почвы контрольного варианта.

Так, суммарное количество агрегатов размером меньше 0,25 и больше 10 мм (в %) значительно изменяется по профилю почвы, а именно в слое 0-20 см количество агрегатов более 10 мм и менее 0,25 мм составило 20,65%. С увеличением глубины почвы количество указанного размера агрегатов возрастает до 33,66 % на глубине 2040 см и 44,97% в слое почвы 80-90 см, в то время, как в контрольной пахотной почве в слое 0-20 см суммарное количество агрегатов исследуемого размера составило 25,45%. При этом в антропогенно-измененной почве закономерно возрастает количество агрегатов размером менее 0,25 мм, что является подтверждением изменения устойчивости и водопрочности агрегатов к механическим воздействиям, как следствие, их разрушение и переход в раздельно-частичное состояние. Данные обстоятельства являются причиной развития и вовлечения почвенных частиц в водноэрозионные потоки, как поверхностного, так и внутри профильного стока.

Поскольку оценку структурного состояния почвы можно сделать по результатам сухого просеивания почвы и содержанию агрегатов размером 0,25-10 мм в %, то полученные результаты достоверно подтверждают изменения агрегативного состояния почвы, как в пахотном горизонте, так и в профиле почвы, испытывающей антропогенное воздествие. Как видно из данных таблицы 1, самое высокое количество агрегатов указанного размера установлено в пахотном горизонте контрольной пробы почвы и составило 75,55%, в то время как в антропогенно-измененной почве содержание агрономически ценных агрегаов составило 73,35%, что характеризует «хорошую» оценку структурного состояния почвы пахотного горизонта. С глубиной профиля почвы, испытывающей антропогенное воздействие, агрегатное состояние ухудшается в результате снижения количества агрономически ценных агрегатов размером от 0,25 до 10 мм до 66,34% в подпахотном горизонте на глубине 20-40 см и 55,03% в пробе почвы, взятой на глубине 80-90 см, являющейся переходным слоем в почвообразующую породу.

Ухудшение агрегативного состояния антропогенно-измененной почвы в подпахотном и иллювиальном горизонтах обусловливает увеличение плотности, снижение водопроницаемости и, как следствие, возрастание поверхностного стока и ухудшение водно-воздушного режима.

Исследованиями доказано значительное изменение агрегатированности почвы в зависимости от степени выпаханности ее пахотного горизонта. Результатами анализа агрегатного состава исследуемых почв установлено, что в антропогенно-измененной почве количество агрономически ценных агрегатов размером 10-0,25 мм составляет 73,35%, что на 2,2% уступает количеству агрегатов данного размера в почве, не испытывающей интенсивного антропогенного воздействия, при этом количество агрегатов размером более 10 мм и менее 0,25 мм (25,45%) на 1,2% превышает количество агрегатов указанного размера в почвах зоны высокой экологической напряженностью (26,65%).

Особого внимания требует характер изменения агрегатного состава в подпахотных горизонтах почв с разной устойчивостью к антропогенным воздействиям. Количество агрономически ценных агрегатов размером 10-0,25 мм изменяется в подпахотном горизонте антропогенно-измененной почвы на глубине 20-40 см до 66,34%, что на 7,01% ниже агрегатированности пахотного горизонта и на 9,21% снижается в сравнении с количеством агрегатов указанного размера в почвах с высокой устойчивостью к антропогенным стрессам.

Исследованиями доказано, что изменение агрегатированности почвы наблюдается с увеличением ее профильной глубины. А, именно, на глубине почвы 8090 см установлено закономерное снижение агрегатов размеров от 10 до 0,25 мм в антропогенно-измененной почве до 55,03%, что на 11,31% ниже количества агрегатов указанного размера на глубине почвы 20-40 см. Установленные изменения в агрегатном составе антропогенно-измененной почвы подтверждаются количественным содержанием агрегатов размером более 10 мм и менее 0,25 мм, так, в слое почвы 2040 см количество агрегатов указанного размера составило 33,66%, а с увеличением глубины их количество возросло до 44,97%, или на 11,31%.

Изменение агрегатного состава почвы оказывает закономерное влияние на изменение водно-воздушного режима почвы, поглотительной способности, водопроницаемости и влагоемкости почвы и, как следствие, изменение экологического состояния и производительной способности почвы. Указанное обстоятельство подтверждается результатами анализа исследуемых почв (табл. 2).

Как видно из данных таблицы 2, самая высокая величина коэффициента структурности показана для почвы, не нарушенной антропогенными воздействиями, для которой его величина достигал 2,96 ед. В то время как в антропогенно-измененной почве величина коэффициента структурности закономерно снижается до 2,75 в пахотном горизонте. При этом в почве на глубине 20-40 см коэффициент структурности составил 1,97 ед. и его величина снижалась до 1,22 ед. на глубине 80-90 см антропогенно-измененной почвы.

Таблица 2 - Изменение свойств серых лесных почвы и компонентов агроэкосистемы при уплотнении

Варианты опыта, глубина взятия пробы, см	Содержание (%) агрегатов размером (мм)		Коэффициент структурности	Плотность, 3 г/см	Плотность твердой фазы, 3 г/см	Порозность, %
	>10+<0,25	(10-0,25)
0-20 (контроль)	25,45%	75,55%	2, 96	1,14	2,7	57,78
0-20 (антропогенно-измененная)	26,65%	73,35%	2,75	1,21	2,43	50,21
20-40 (антропогенно-измененная)	33,66%	66,34%	1,97	1,34	2,67	49,81
80-90 (антропогенно-измененная)	44,97%	55,03%	1,22	1,40	2,38	41,17

Исследованиями доказано и закономерное изменение физических свойств почвы, а именно плотности твердой фазы, плотности почвы и ее порозности в зависимости от степени ее антропогенной преобразованности (табл. 2). Так, самая наименьшая величина плотности выявлена в пахотном слое почвы (0-20 см) контрольного образца, которая составила 1,14 г/см ³ и характеризует «вспаханную» почву, при этом доказано закономерное изменение в сторону увеличения плотности по всей исследуемой профильной глубине антропогенно-измененной почвы с 1,21 г/см ³ (0-20 см) до 1,34 г/см ³ на глубине 20-40 см и 1,40 г/см ³ на глубине 80-90 см и характеризует изменение плотности почвы в сторону ее сильного уплотнения.

Величина пористости исследуемых почв изменяется в следующем направлении, а именно в контрольной ненарушенной почве ее величина составляет 57,78% и характеризует культурный пахотный слой и «отличное» структурное состояние. В антропогенно-измененной почве величина пористости изменяется до 50,21% в пахотном слое (0-20 см), что характеризует ее как почву с «удовлетворительной» пористостью. При этом в подпахотных горизонтах почвы на глубине 20-40 и 80-90 см пористость снижается до 49,81% и 41,17% соответственно и оценивается как «неудовлетворительная» пористость в подпахотном слое.

Изменение свойств почв при уплотнении зависит от сочетания свойств исходных почв и взаимовлияния на почву факторов деградации. Уплотнение зависит от мощности гумусовых горизонтов, степени оподзоленности, влажности. Буферность или устойчивость к уплотнению является для отдельных почв, таких как серые лесные, характеристическим показателем и если не учитывать генетические особенности почвы, то можно ухудшить ее физические свойства. Механическое уплотнение почв чаще приводит к снижению скважности почвы, разрушению макро- и микроагрегатов, что действует на устойчивость ее агрегатов.

Выводы:

• 1.    Доказано изменение агрегатированности серых лесных почв и их физических свойств под влиянием антропогенных воздействий. Установлено увеличение плотности и плотности твердой фазы почвы, как в пахотных, так и подпахотных горизонтах в условиях разной степени сочетания свойств исходных почв и взаимовлияния на почву разных факторов деградации.

• 2.    Увеличение плотности серых лесных почв в зависимости от сочетания генетических особенностей исходных почв и взаимовлияния на почву факторов деградации приводит к изменению свойств почв, увеличению объема крупных пор, возрастанию водопроницаемости при одновременном увеличении плотности

• 3.    Выявлено изменение плотности и пористости серых лесных почв, снижение устойчивости и водопрочности агрегатов к механическим воздействиям и, что является причиной их разрушения, перехода в раздельно-частичное состояние и вовлечения в водно-эрозионные потоки как поверхностного, так и внутри профильного стока.

подпахотных горизонтов, образовании плужной подошвы, ухудшении физических свойств почвы.