Changes in the absorptive capacity of soils of Donbass degraded agroecosystems

Почва – важный природный ресурс, который необходимо сохранять и одновременно улучшать его качество и продуктивную способность. Деградация почв представляет собой совокупность природных и антропогенных процессов, приводящих к изменению функций почв в геосистеме, количественному и/или качественному ухудшению состава, свойств и режимов почв, снижению природно-хозяйственной значимости земель (Хитров и др., 2007). Как отмечает R. Lal (Lal, 2001), деградация почв – это биофизический    процесс,    инициируемый    социально экономическими и политическими условиями. Длительное экстенсивное использование сельскохозяйственных земель без надлежащей системы ухода приводит к существенному изменению свойств почв, в том числе к уменьшению содержания гумуса, водоустойчивых агрегатов, изменению содержания обменного кальция, значений рН, органических форм фосфора (Мамонтов и др., 2020).

Фундаментальными исследованиями деградации почв в России в основном занимается Почвенный институт им. В.В.

Докучаева. Кроме того, в течение многих десятков лет подобные исследования проводятся Всероссийским НИИ земледелия и защиты почв от эрозии, Северо-Кавказским НИИ горного и предгорного сельского хозяйства, НИИ сельского хозяйства: Донским, Ставропольским, Ульяновским, Юго-Востока и мн. др. Большой вклад в изучение деградационных и опасных природных процессов вносят ВУЗы страны: Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, Воронежский государственный университет и др. (Разумов и др., 2015) .

Деградация земель в настоящее время представляет одну из важнейших социально-экономических проблем, создающих угрозу экологической и экономической безопасности Донецкой Народной Республики (ДНР). Несмотря на то, что территория ДНР характеризуется значительным земельным фондом с большим биопродуктивным потенциалом, длительная нерациональная эксплуатация земельных ресурсов без надлежащего учета ландшафтных и почвенно-климатических особенностей привели к усилению деградационных процессов в почвах, их значительной дегумификации и потерям элементов минерального питания растений. Одной из основных причин деградации агроландшафтов является высокое освоение и распаханность территории, наряду с этим в регионе широко распространены смытые сельскохозяйственные угодья. Деградирующие по разным причинам земли составляют 85.8% от общей площади сельскохозяйственных земель, а деградирующие пашни – около 90% общей площади пашни по республике. Такое накопление деградационных признаков до критического состояния, когда они становятся необратимыми, фактически представляет собой “медленную” катастрофу, обусловленную сложившейся системой эксплуатации природных ресурсов, и почв в том числе, общей культурой природопользования при интенсивной эксплуатации почв как постоянного технологического ресурса в технологиях сельского, лесного и некоторых других производств. В сложившейся ситуации особую актуальность приобретают фундаментальные научные исследования, направленные на познание разнообразия процессов деградации почв, выявление причин их возникновения и развития, а также на поиск оптимальных методов защиты почв от деградации.

Одной из существенных составляющих почвенных исследований является изучение поглотительной способности почв, которая играет чрезвычайно важную роль в генезисе почв, формировании их свойств и уровня плодородия. Целью работы было изучение качественного и количественного состава почвенно-поглощающего комплекса (ППК) деградированных почв сельскохозяйственного назначения на территории ДНР. В основные задачи работы входило изучение суммы обменных оснований, а также обменного кальция и магния почв.

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ

Объектами исследований являлись черноземы обыкновенные и щебневатые. В качестве основного подхода при полевых исследованиях был использован метод ключевых участков – на территориях с характерным сочетанием факторов почвообразования, а также наличием технологических особенностей закладывались почвенные разрезы, и проводилось комплексное описание территории. Исследования проводились на модельных участках северной части Шахтерского района ДНР в 2022 г. Для исследования почвенного покрова деградированных агроэкосистем были выбраны следующие модельные участки, с учетом таких факторов как распространенность типа нарушения в пределах района исследований, степень антропогенной трансформации:

Участок № 1. Участок со степной растительностью (с. Ма-лоорловка, Шахтерский район, 48°11'23.3" N; 38°17'08.9" E). Общее проективное покрытие (ОПП) 95–100%. Доминируют Festuca valesiaca Gaud ., Poa compressa L., Artemisia austriaca Jacq., Bromuss quarossus L., Lotus ucrainicus Klok. Рассеянно встречаются Odontites vulgaris Moench, Medicago romanica Prod., Berteroa incana (L.) DC., Melilotus officinalis (L.) Pall., Chondrilla juncea L., Asparagus polyphyllus Stev., Centaurea diffusa Lam., Artemisia absinthium L., Linaria genistifolia (L.) Mill, Lepidium campestre (L.) R.Br., Calamagrostis epigeios (L.) Roth. Единично растут Acillea nobilis L., Koeleria cristata (L.) Pers., Potentilla impolita Wahlenb., Vicia tenuifolia Roth, Echium vulgare L ., Agrimonia eupatoria L., Salvia officinalis L ., Tanacetum vulgare L., Scorzonera mollis Bieb.,

Eryngium campestre L., Cichorium intybus L., Echium vulgare L., Daucus carota L.

• Разрез № 1. Чернозем обыкновенный среднемощный среднегумусный.

А – 0–27 см. Свежий, темно-бурый однородный, легкосуглинистый, среднезернистый, умеренно плотный. Новообразований и включений не отмечено. Густые корни. Переход в горизонт В ясный, волнистый по цвету.

В – Сухой, светло-каштановый, однородный, легкосуглинистый, среднезернистый, умеренно плотный, каменистость – 15%. Новообразований и включений не отмечено. Единичные корни. Прослежен до глубины 43 см.

Данный участок рассматривается нами как условный контроль.

• Участок № 2 . Склоновый участок поля под яровой пшеницей (с. Славное, Шахтерский район, 48°12'45.0" N; 38°19'57.1" E).

• Разрез № 2. Чернозем щебневатый среднесмытый на элювии твердых некарбонатных пород.

А – 0–12 см. Сухой, структурный, темно-бурый, однородный, среднесуглинистый, пылевато-зернистый, уплотненный. Новообразований и включений не отмечено. Много корней. Переход в горизонт В резкий, волнистый по цвету.

В – Сухой, структурный, палево-бурый, однородный, среднесуглинистый, комковато-зернистый, плотный. Отмечаются выцветы солей (белесые). Каменистость – 12%. Единичные корни. Прослежен до глубины 37 см.

• Участок № 3. Поле под яровой пшеницей первый год после пара (с. Славное, Шахтерский район, 48°12'47.2" N; 38°19'48.8" E).

• Разрез № 3. Чернозем щебневатый на элювии твердых некарбонатных пород.

А – 0–23 см. Свежий, структурный, темно-бурый, однородный, среднесуглинистый, пылевато-зернистый, слабо уплотненный. Новообразований и включений не отмечено. Много корней. Переход в горизонт В ясный, волнистый по цвету.

В – Свежий, структурный, палево-бурый, однородный, среднесуглинистый, комковато-зернистаый, плотный. Отмечаются выцветы солей (белесые). Единичные корни. Прослежен до глубины 43 см.

Участок № 4 . Выведенные из сельскохозяйственного использования земли для выгона скота (с. Славное, Шахтерский район, 48°13'06.6" N; 38°20'02.0" E). ОПП 85–90%, доминируют F. valesiaca, Elytrigia repens (L.), L. genistifolia , A. absinthium , также представлены L. ucrainicus, D. carota, E. vulgare, Ambrosia ar-temisifolia L., Verbascum lychnitis L, L. genistifolia .

• Разрез № 4. Чернозем щебневатый на элювии твердых некарбонатных пород.

А – 0–12 см. Сухой, структурный, светло-бурый, однородный, среднесуглинистый, глыбисто-комковатый, слабо уплотненный. Новообразований и включений не отмечено. Густые корни. Переход в горизонт В постепенный, языковатый по цвету.

В – Сухой, структурный, светло-серый, однородный, среднесуглинистый, комковато-зернистый, плотный. Отмечаются выцветы солей (белесые). Редкие корни. Прослежен до глубины 32 см.

Участок № 5 . Поле под паром (с. Славное, Шахтерский район, 48°13'19.1" N; 38°20'09.7" E).

• Разрез № 5. Чернозем щебневатый на элювии твердых некарбонатных пород.

А – 0–17 см. Свежий, структурный, буро-черный, однородный, среднесуглинистый, зернисто-порошистый, слабо уплотненный. Новообразований и включений не отмечено. Единичные корни. Переход в горизонт В постепенный, волнистый по цвету.

В – Свежий, структурный, серо-черный, однородный, среднесуглинистый, зернистый, плотный. Отмечаются выцветы солей (белесые). Прослежен до глубины 36 см.

Участок № 6 . Поле под яровым ячменем (с. Малоорловка, Шахтерский район, 48°10'46.5" N; 38°17'39.1" E).

• Разрез № 6. Чернозем щебневатый на элювии твердых некарбонатных пород.

А – 0–12 см. Сухой, структурный, темно-бурый, однородный, среднесуглинистый, зернистый, слабо уплотненный. Ново- образований и включений не отмечено. Единичные корни. Переход в горизонт В резкий, волнистый по структуре.

В – Сухой, структурный, черный, однородный, среднесуглинистый, плитчатый, плотный. Прослежен до глубины 27 см.

Участок № 7 . Поле под яровой пшеницей (с. Малоорловка, Шахтерский район, 48°10'15.2" N; 38°17'36.3" E).

• Разрез № 7. Чернозем щебневатый на элювии твердых некарбонатных пород.

А – 0–35 см. Свежий, структурный, серовато-черный, однородный, среднесуглинистый, зернистый, слабо уплотненный. Новообразований и включений не отмечено. Единичные корни. Переход в горизонт В постепенный, размытый по цвету.

В – Свежий, структурный, светло-бурый, однородный, среднесуглинистый, зернистый, плотный. Прослежен до глубины 48 см.

Участок № 8 . Склоновый участок поля под яровым ячменем (с. Малоорловка, Шахтерский район, 48°10'04.1" N; 38°17'37.8" E).

• Разрез № 8. Чернозем щебневатый среднесмытый на элювии твердых некарбонатных пород.

А – 0–17 см. Сухой, структурный, палево-бурый, однородный, среднесуглинистый, пылевато-зернистый, плотный. Новообразований и включений не отмечено. Единичные корни. Переход в горизонт В постепенный, размытый по цвету.

В – Сухой, структурный, светло-бурый, однородный, среднесуглинистый, зернистый, плотный. Прослежен до глубины 29 см.

Определение видов растений производили согласно Определителю (Определитель…, 1987) , а также с помощью монографических обработок отдельных таксономических групп и интернет-ресурсов.

Описание почвенных разрезов проводили согласно общепринятым методикам (Методические…, 1999; Розанов, 1983) . Отбор почвенных образцов проводили по почвенным горизонтам (Методы…, 1991) .

Определение суммы обменных оснований, содержания обменного кальция и магния проводили общепринятыми методами (Аринушкина, 1970; Практикум…, 2001) . Статистическая обработка экспериментальных данных проводилась по общепринятым методам параметрической статистики при 95%-ном уровне значимости по Б.А. Доспехову (Доспехов, 1985) .

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Почвенный поглощающий комплекс (ППК) представляет собой доступное для растений хранилище биофильных катионов, защищенное коллоидной электростатической природой от вымывания атмосферной влагой в грунтовые воды. Суммарное количество всех обменных катионов, за исключением Н⁺ и А1³⁺, называют суммой обменных оснований (S), которая также выражается в мг-экв на 100 г почвы (Куликов, 2012) . Значения, полученные в результате изучения суммы обменных оснований в почвах агроценозов, свидетельствуют о различном содержании обменных катионов на всех изученных участках (табл. 1).

Наиболее существенно снижены, по сравнению с контролем, значения суммы обменных оснований на участках под номерами 2 и 8 (76.6–81.8% по отношению к контролю). Этот факт объясняется наихудшими условиями для произрастания растений на этих участках, склоновой поверхностью и, как следствие, – значительным выносом обменных оснований. Между значениями суммы обменных оснований участков № 1 и № 5 статистически достоверных различий зафиксировано не было. Поскольку участок № 5 как элемент схемы севооборота представляет собой поле под паром, где отсутствует вынос основных элементов вследствие отсутствия интенсивной эксплуатации и внесения элементов минерального питания, поэтому и значения суммы обменных оснований существенно не отличались от показателей в контрольном варианте.

Таблица 1. Сумма обменных оснований (мг-экв/100 г почвы) в почвах сельскохозяйственных угодий

Table 1. Amount of exchangeable bases (mg-eq/100 g of soil) in agricultural soils

Участок / горизонт	M ± m	% к контролю	Tst
№ 1 А	44.72 ± 0.13	–	–
№ 1 В	41.53 ± 0.09	–	–
№ 2 А	36.57 ± 0.14*	81.8	42.7
№ 2 В	32.61 ± 0.11*	78.5	62.8
№ 3 А	40.06 ± 0.19*	91.8	15.9
№ 3 В	37.03 ± 0.13*	89.2	28.5
№ 4 А	38.91 ± 0.17*	87.0	27.2
№ 4 В	34.56 ± 0.14*	83.2	41.9
№ 5 А	43.89 ± 0.37	98.1	2.1
№ 5 В	40.92 ± 0.29	98.5	2.0
№ 6 А	39.86 ± 0.13*	89.1	26.4
№ 6 В	37.72 ± 0.18*	90.8	18.9
№ 7 А	40.15 ± 0.23*	89.8	17.3
№ 7 В	37.21 ± 0.15*	89.6	24.7
№ 8 А	34.85 ± 0.22*	77.9	38.6
№ 8 В	31.81 ± 0.17*	76.6	50.5

Примечание. В этой и других таблицах статьи М – среднее значение признака, m – ошибка среднего, % – процент превышения значений по отношению к аналогичным почвенным горизонтам участка № 1, * – различия статистически достоверны при р < 0.05.

Note. Here and after M – mean value of the indicator, m – error of the mean, % – percentage of exceeding values in relation to similar soil horizons of site No. 1, * – differences are statistically reliable at p < 0.05.

Участки №№ 3, 6, 7 отличались пониженными значениями суммы обменных оснований, по отношению к контролю показатели были снижены в среднем на 8.2–10.9%. Для участка № 4 зафиксировано снижение значений суммы обменных оснований по сравнению с контрольным участком на 13–17%. Несмотря на вытаптывание и “выведенность” из сельскохозяйственного использования на нем, по сравнению с участками №№ 2 и 8, сформиро- ваны более благоприятные условия для выращивания сельскохозяйственных культур. По сравнению с нижележащим горизонтом в пахотном горизонте почв всех изученных модельных участков значения суммы обменных оснований выше.

Обменные катионы непосредственно влияют на поверхностные свойства почвенных частиц, поэтому от того, какие катионы и в каком количестве находятся в обменном состоянии, зависят характер почвенной структуры, водно-физические и физикомеханические свойства почв (Девятова и др., 2020) . Так, обменный натрий оказывает негативное влияние на физические и физикомеханические свойства почв. По мере увеличения доли натрия в составе обменных катионов усиливается разрушение почвенной структуры, возрастают пептизация тонкодисперсных частиц, набухание, пластичность и липкость почвы, снижаются пористость, особенно некапиллярная, и скорость фильтрации. Неблагоприятные физические свойства также имеют почвы с высоким содержанием обменного водорода, который способствует распылению почвенной массы. В отличие от одновалентных катионов обменный кальций оказывает на физические свойства почвы прямо противоположное влияние – этот элемент служит главным действующим веществом химических мелиорантов (извести, гипса), используемых при улучшении кислых и щелочных почв. Обменный магний при невысоком его содержании в почве (до 40% от ЕКО) влияет на физические свойства почвы аналогично обменному кальцию (Карпачевский, 1997) . Если ППК насыщен кальцием, то коллоиды коагулируют, и при наличии гумусовых веществ почва становится структурной (Азизов, 2018) .

При изучении содержания обменного кальция в почве контрольного участка (чернозема) установлено, что количество обменного кальция составляло 79.9–80.5% от общего содержания обменных оснований, что хорошо согласуется с литературными данными по изучению суммы обменных оснований в черноземах (табл. 2).

На участках №№ 2–4, 6–8 количество обменного кальция составляло 59.7–65.2% по отношению к общей сумме обменных оснований. За счет интенсификации деградационных процессов, в особенности на участках №№ 2 и 8 (склоновой поверхности мо- дельных участков), идет постепенное вытеснение обменного кальция, место которого занимает магний, соответственно, количество последнего увеличивается. Происходящие процессы такой трансформации могут негативно отразиться на почвенно-поглощающем комплексе и на почве в целом и приводить к дальнейшей потере структуры почвы и ряду других отрицательных последствий. Не было зафиксировано статистически достоверных различий между значениями содержания обменного кальция на участках №№ 1 и 5, так, на участке № 5 содержание кальция составляло 79.6–80.1% по отношению к общей сумме обменных оснований. Данный участок можно считать с большой долей вероятности благоприятным для дальнейшего возделывания сельскохозяйственных культур.

Таблица 2. Содержание обменного кальция (мг-экв/100 г почвы) в почвах сельскохозяйственных угодий

Table 2. Exchangeable calcium content (mg-eq/100 g of soil) in agricultural soils

Участок/ горизонт	M ± m	% к контролю	Tst
№ 1 А	36.0 ± 0.14	—	—
№ 1 В	33.18 ± 0.18	—	—
№ 2 А	22.79 ± 0.23*	63.3	49.1
№ 2 В	19.47 ± 0.18*	58.7	53.9
№ 3 А	26.14 ± 0.15*	72.6	48.1
№ 3 В	23.13 ± 0.22*	69.7	35.4
№ 4 А	25.12 ± 0.18*	69.8	47.7
№ 4 В	22.31 ± 0.14*	67.2	47.7
№ 5 А	35.17 ± 0.38	97.7	2.0
№ 5 В	32.58 ± 0.29	98.2	1.8
№ 6 А	25.92 ± 0.16*	72.0	47.4
№ 6 В	22.58 ± 0.22*	68.1	37.3
№ 7 А	25.67 ± 0.14*	71.3	52.2
№ 7 В	22.78 ± 0.19*	68.7	39.7
№ 8 А	22.42 ± 0.26*	62.3	46.0
№ 8 В	19.01 ± 0.29*	57.3	41.5

При изучении содержания обменного магния установлены закономерности, связанные с его изменением по отношению к обменному кальцию на различных модельных участках. Соотношение магния к кальцию на контрольном участке в среднем – 1 : 5, что согласуется с литературными данными по изученности содержания обменного магния и кальция в ППК почв агроценозов. Такая же закономерность характерна и для участка № 5, где создаются благоприятные условия для роста сельскохозяйственных культур и для почвы в целом (табл. 3).

Таблица 3. Содержание обменного магния (мг-экв./100 г почвы) в почвах сельскохозяйственных угодий

Table 3. Exchangeable magnesium content (mg-eq./100 g of soil) in agricultural soils

Участок/ горизонт	M ± m	% к контролю	Tst
№ 1 А	7.14 ± 0.08	—	—
№ 1 В	6.38 ± 0.04	—	—
№ 2 А	7.61 ± 0.11*	106.6	3.46
№ 2 В	6.57 ± 0.09	103.0	1.92
№ 3 А	7.47 ± 0.03*	104.6	3.86
№ 3 В	6.75 ± 0.08*	105.8	4.14
№ 4 А	6.92 ± 0.11	96.9	1.62
№ 4 В	6.25 ± 0.14	98.0	0.89
№ 5 А	6.83 ± 0.17	95.7	1.65
№ 5 В	6.42 ± 0.09	100.6	0.41
№ 6 А	7.67 ± 0.22*	107.4	2.26
№ 6 В	6.83 ± 0.18*	107.1	2.44
№ 7 А	7.43 ± 0.09*	104.1	2.41
№ 7 В	6.68 ± 0.04*	104.7	5.3
№ 8 А	7.83 ± 0.13*	109.7	4.52
№ 8 В	6.95 ± 0.14*	108.9	3.91

Распашка и эксплуатация почв, как на остальных модельных участках (участки №№ 2–4, 6–8), приводит к коренному изменению соотношения кальция и магния в ППК. Это касается как пахотного, так и подпахотного горизонтов. В среднем соотношение магния к кальцию изменяется в сторону 1 : 3, а для участка № 8 достигает критически низкого соотношения 1 : 2.9, 1 : 2.7 (для горизонтов А и В соответственно), что в будущем может привести к кардинальным негативным последствиям. В данном случае такое повышение содержания обменного магния с одновременным снижением обменного кальция мы рассматриваем как существенный элемент химической деградации почв, вызванной сельскохозяйственной деятельностью человека.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Результаты проведенных исследований поглотительной способности почв агроценозов в целом свидетельствуют о начале де-градационных процессов, которые впоследствии могут приводить к существенным, коренным изменениям почв и выведению их из севооборота. Показатель суммы обменных оснований существенно отличается от значений контрольного участка, а наиболее снижены значения суммы обменных оснований, по сравнению с контролем, на участках №№ 2 и 8 (76.6–81.8% по отношению к контролю). Этот факт объясняется наихудшими условиями для произрастания растений на этих участках, склоновой поверхностью и как следствие – значительным выносом обменных оснований. Кроме того, как показали наши исследования, обеднение почвы кальцием на большинстве модельных участков с ростом интенсификации земледелия приводит к перераспределению обменных оснований в составе почвенно-поглощающего комплекса. Повышение значений обменного магния хоть на данный момент и не является существенным, но в дальнейшем может привести к формированию негативного магниевого засоления, а снижение значений обменного кальция – к потере структурированности почвенных агрегатов, их трансформации. Такие негативные процессы химической деградации почв могут в будущем вызвать трансформацию функций почв, снижению их плодородия, ухудшению ка- чества сельскохозяйственной продукции и пр.