Оценка энергетического ресурса деградированных почв сельскохозяйственных угодий

Теоретические подходы к оценке энергетического состояния почвы в зависимости от степени деградации. Методика определения биоэнергетического потенциала почвы, основанная на биогенной энергии. Агрохимические показатели, определяющие степень деградации.

Рубрика Экология и охрана природы
Вид статья
Язык русский
Дата добавления 13.11.2019
Размер файла 45,3 K

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru//

Оценка энергетического ресурса деградированных почв сельскохозяйственных угодий «Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ и Администрации Волгоградской области в рамках научного проекта № 18-416-342004 р_мк»

Л.В.Кирейчева

Рассмотрены процессы деградации зональных почв европейской части России и обоснованы основные агрохимические показатели, определяющие степень деградации. Разработаны теоретические подходы к оценке энергетического состояния почвы в зависимости от степени деградации и предложена методика определения биоэнергетического потенциала почвы, основанная на биогенной энергии, которая рассчитывается через количество АТФ, синтезированное клеткой при полном биологическом окислении органического вещества до углекислого газа и воды, исходя из его элементного состава на основе стехиометрии, закономерностей процессов биологического окисления и термодинамических законов. Зная содержание элементного углерода, водорода и кислорода в органическом веществе, можно рассчитать количество биогенной энергии, извлекаемой клеткой в процессе полного биологического окисления субстрата до углекислого газа. Это позволило, без изучения строения и метаболических путей, рассчитать биоэнергетическую ценность или биоэнергетический потенциал (БЭП) любого органического соединения, в том числе лабильной части гумуса почвы. Приведен алгоритм восстановления деградированных почв, включающий определение биоэнергетического потенциала гумуса, расчет количества биогенной энергии для восстановления оптимального функционирования деградированных почв. Для восполнения утраченной энергии выполнено обоснование расчетных доз внесения органического удобрения для восстановления энергетического ресурса почвы.

Ключевые слова:, почва, деградация, агрохимические показатели, гумус, плодородие энергетический ресурс, биоэнергетический потенциал, утраченная энергия

деградация почва биоэнергетический

Введение

В последние десятилетия на сельскохозяйственных угодьях России складывалась ситуация, приводящая к развитию деградационных процессов, основным из которых - потеря органического вещества почвы или дегумификация. Это связано как с недостаточным внесением органических удобрений, которые являются сырьем для процессов гумификации, так и минеральных удобрений, необходимых для роста и развития сельскохозяйственных растений. По данным Министерства сельского хозяйства в настоящее время наблюдается отрицательный баланс питательных веществ, их ежегодный вынос из почвы с урожаем сельскохозяйственных культур значительно превышает возврат с вносимыми минеральными, органическими удобрениями и растительными пожнивными остатками. В период с 2006 по 2011 год из почвы с урожаем было вынесено 55,8 млн. тонн питательных веществ, при этом внесено в почву только 25,66 млн. тонн. Отрицательный баланс питательных веществ за 6 лет составил 30,2 млн. тонн д.в. [2]. Все это привело к усилению минерализации гумуса.

Кроме того, за счет сельскохозяйственной деятельности при многократных обработках почвы, проведения мелиоративных мероприятий улучшается жизнедеятельность почвенных микроорганизмов и ускоряются процессы минерализации гумусовых веществ, так как повышение интенсивности сельскохозяйственного производства усиливает объем биологического круговорота. Одновременно с потерей органического вещества происходит изменение водопрочной структуры почвы, снижение внутриагрегатной порозности и уплотнение почвенного профиля. Все эти процессы снижают энергетический ресурс почвы и приводят к потере продуктивности. Почва является национальным достоянием и от ее биосферных функций во многом зависит не только продовольственная безопасность страны и «здоровье» экосистемы, но в конечном итоге, благосостояние человека. «Всемирная хартия почв гласит: главной целью для всех сторон является обеспечение рационального управления почвами и восстановление или возрождение деградированных почв» [5].

При восстановлении деградированных почв и доведении их гумусового состояния до оптимального уровня необходимо не только обеспечить почву достаточным количеством органического вещества и минеральных элементов питания растений, но самое главное восстановить энергетическое состояние и создать условия для эволюционного развития. Поэтому основная цель исследований заключается в разработке теоретических подходов к оценке энергетической функции почв в зависимости от степени их деградации для обоснования необходимых мероприятий, направленных на восполнение запасов утраченной в процессе деградации энергии. Интегральным показателем деградации почв следует считать такое снижение энергетического состояния почвы, при котором наблюдается изменение основных ее показателей, приводящие к нарушению функционирования и устойчивому снижению продуктивности [6,7].

Методы и объекты исследования

Основной вид энергии, обеспечивающий нормальное функционирование почв это солнечная энергия, которая используется почвами в двух формах: непосредственно в виде теплоты, поступающей в систему в процессе инсоляции, и свободной энергии (?G), способной совершать работу [21]. Если первая определяется климатическими условиями, то вторая вещественным составом почвы и вносимых удобрений. Почвы - результат работы «живого вещества» и как составляющие единой экосистемы Земли, являются открытыми динамическими системами, существование которых поддерживается балансом вещества, энергии и информации, прежде всего, согласно представлениям В.В. Вернадского, через «живое вещество». Важным фактором, определяющим вещественно-энергетический баланс в указанных системах, является почвенная микрофлора, преимущественно гетеротрофы, работа которой осуществляется за счет солнечной энергии, аккумулированной в органическом веществе почвы, что способствует переходу элементов питания в доступную для растений форму. Следовательно, при оценке энергетического состояния органического вещества почвы необходимо опираться на биоэнергетические закономерности трансформации энергии в живых системах, которые были открыты в середине прошлого века отечественными биохимиками (В.А. Энгельгардтом, В.П. Скулачевым и др.) [24]. Поэтому, для оценки энергетического состояния почв целесообразно использовать, наряду с термодинамическими законами [15], и биоэненргетические закономерности. Данные закономерности позволяют рассчитать количество энергии органического вещества почвы, используемое почвенными микроорганизмами на работу по минерализации почвенного гумуса. Согласно законам термодинамики, превращение любой формы энергии в работу сопровождается большой диссимиляцией энергии, коэффициент полезного действия любой термодинамической системы составляет не более 40%. Но именно эта часть энергии является полезной и ее следует учитывать при энергетической оценке почвенного гумуса, как пищевого субстрата почвенной микробиоты. Количество энергии, превращенной организмом в работу, можно рассчитать через количество универсального аккумулятора энергии в биологических системах - аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ), синтезированной организмом за счет энергии полного окисления органического субстрата и используемой организмом для совершения всех типов работы [24].

При всем разнообразии структуры, органические вещества имеют общее свойство: в них содержится аккумулированная солнечная энергия, которая обеспечивает существование гетеротрофов, в том числе и почвенных микроорганизмов. Наиболее эффективный способ получения энергии клеткой из органического субстрата - биологическое окисление при участии кислорода - аэробный метаболизм. Тем не менее, даже аэробный метаболизм не позволяет гетеротрофу использовать всю солнечную энергию, аккумулированную в химических связях органического вещества. В противном случае оценить энергию органического вещества почвы (?G), можно было бы по тепловому эффекту процесса горения, что и применялось ранее в классических оценках энергетического состояния почвы [15, 18]. Именно биогенная энергия дает возможность совершить всю работу в почве «живого вещества» и ее следует учитывать при энергетической оценке почвенного гумуса.

В основу методики расчета энергетической функции почвы положен следующий подход. Энергия, извлекаемая клеткой из пищевого субстрата в результате биологического окисления, аккумулируется в универсальном энергетическом посреднике - органических фосфатах, прежде всего в аденозинтрифосфорной кислоте (АТФ), а затем используется на все биологические процессы, требующие затрат энергии. При энергетической оценке органического вещества почвы учитывается биогенная энергия, которая рассчитывается через количество АТФ, синтезированное клеткой при полном биологическом окислении органического вещества до углекислого газа и воды. Известно, что при синтезе клеткой концевых макроэргических связей в одном моле АТФ аккумулируется 30,5 кДж/моль энергии [13]. Таким образом, рассчитав количество АТФ, образованное в результате полного биологического окисления органического вещества (пищевого субстрата клетки), можно рассчитать биогенную энергию органического вещества. Сложность данного подхода состоит в том, что для расчета количества АТФ требуется знание строения органических веществ для определения их метаболических процессов. Предлагаемая методика позволяет рассчитать биогенную энергию (биоэнергетический потенциал) любого органического вещества, исходя из его элементного состава на основе стехиометрии, закономерностей процессов биологического окисления и термодинамических законов [27]. При этом количество биогенной энергии органического субстрата определяется стехиометрическим соотношением трех элементов: углерода, водорода и кислорода. Процессы окисления - снятие электронов с субстрата, сопровождаются в биологических объектах снятием водорода, переносчика электронов в составе эквивалентов, количество водорода в органическом соединении определяется количеством и валентными возможностями углерода и кислорода. Известно, что перенос двух электронов и двух протонов (2з, 2Н+) с субстрата в процессе биологического окисления, обеспечивает синтез до трех молекулы АТФ [13]. Но в процессе окисления участвуют не только протоны Н+ биологического субстрата, но и протоны Н+, полученные из воды, которая является донором кислорода при биологическом окислении. Весь элементный кислород воды и биологического субстрата используется на образование углекислого газа (СО2). Количество углекислого газа определяется содержанием элементного углерода в органическом субстрате. Таким образом, по количеству углекислого газа можно рассчитать количество воды, а значит и водорода, который идет на биологическое окисление данного субстрата. Следовательно, зная содержание элементного углерода, водорода и кислорода в субстрате, можно рассчитать количество воды, необходимое для его полного окисления, и на этой основе рассчитать количество биогенной энергии, извлекаемой клеткой в процессе полного биологического окисления субстрата до углекислого газа. Это позволяет без изучения строения и метаболических путей рассчитать биоэнергетическую ценность или биоэнергетический потенциал (БЭП) любого органического соединения.

При известном элементном составе органического соединения, количество БЭП можно рассчитать по следующей стехиометрической формуле.

БЭП= 183С+ 45,75Н - 91,5О (кДж/моль) (1)

где С, Н и О - атомные доли или индексы элементов углерода, водорода и кислорода в молекуле органического субстрата.

Или, если известны массовые доли элементов в органическом веществе:

БЭП=(15,25С+45,75Н-5,71875О)/(С+Н+О)(кДж/г) (2)

где С, Н, О - массовые доли элементов углерода, водорода и кислорода в веществе (%) [24].

Для данной энергии целесообразно использовать термин «биоэнергетический потенциал» органического вещества - наибольшее количество энергии, которое можно превратить в работу через биологические системы. Именно этот показатель определяет актуальную энергетическую функцию конкретной почвы.

Объект исследований - зональные почвы европейской части России. На основе анализа многочисленных литературных источников экспертным путем были установлены оптимальные значения агрохимических показателей, определяющие продуктивность почвы, а также их значения, соответствующие слабой, средней и сильной степени деградации (таблица 1). Оптимальным принято считать такие значения агрохимических показателей почвы, при которых обеспечивается планируемый урожай при условии максимальной эффективности использования вносимых удобрений и применяемых агротехнических мероприятий. Оптимальное содержание гумуса в почве обеспечивает благоприятные для растений водно-физические свойства почвы, высокую буферность и емкость катионного обмена, устойчивый пищевой режим. Степень деградации почвы в условиях сельскохозяйственного производства оценивается по ее продуктивности.

Таблица 1 - Осредненные значения агрохимических показателей зонально-провинциальных почв в оптимальном состоянии и при различной степени деградации по литературным источникам [1,3,4,10,11,12,14,16, 17,20,22,25,26].

Показатели

Содержание/значение

Содержание/значение при степени деградации

Максималь-ное

Оптималь-

ное

слабой

средней

сильной

Дерново-подзолистая суглинистая почва

рНKCl

>6,0

5,8

5,6-5,8

5,4-5,5

4,8-5,4

Гумус, %

>3,3

3,0-3,3

2,0

1,5

1,0

б, г/см3

1,25

1,25-1,32

1,4-1,45

1,45-1,5

1,5-1,55

NO3+NH4, мг/кг

65

50

20

10

5

P2O5, мг/кг

150-200

100-150

50-100

25-50

<25

K2O, мг/кг

250

170-250

120-170

80-120

40-80

Cгк/фк

>1,0

0,6-0,8

0,5

0,4

0,3

Серая лесная тяжелосуглинистая почва

рНKCl

>6,0

5,0-5,9

4,5-5,0

4,0-4,5

4,0

Гумус, %

>3,5

3,0-3,5

2,5

2,0

1,5

б, г/см3

1,2

1,2-1,25

1,3-1,35

1,35-1,4

1,4-1,45

NO3+NH4, мг/кг

>100

80-100

60-80

40-60

20-40

P2O5, мг/кг

300

200

150

100

75-80

K2O, мг/кг

300

200

150

100

70

Cгк/фк

>1,5

1,3-1,5

1,2-1,3

1,0-1,2

<1,0

Чернозем выщелоченный тяжелосуглинистый

рНKCl

6,8

6,5-6,8

6,8-7,0

7,0-7,2

7,4

Гумус, %

6,5

6,0-7,0

5,5-6,0

4,5-5,5

4,0-4,5

б, г/см3

1,1

1,1-1,2

1,25

1,3

1,35

NO3+NH4, мг/кг

>100

80-100

60-80

40-60

20-40

P2O5, мг/кг

200

150-200

100-150

75-100

50

K2O, мг/кг

>130

90-120

50-80

40

20

Cгк/фк

2,0

1,5-2,0

1,3-1,5

1,2-1,3

1,1-1,2

Чернозем выщелоченный легкосуглинистый

рНKCl

6,8

6,5-6,8

6,8-7,0

7,0-7,2

7,4

Гумус, %

5,5

4,0-4,5

3,5-4,0

3,0-3,5

2,5-3,0

б, г/см3

1,1

1,1-1,2

1,25

1,3

1,35

NO3+NH4, мг/кг

>80

65-80

50-65

35-50

20-35

P2O5, мг/кг

>150

100-150

80-100

70-80

40

K2O, мг/кг

>100

80-100

40-60

30

15

Cгк/фк

2,0

1,5-2,0

1,3-1,5

1,2-1,3

1,1-1,2

Чернозем типичный тяжелосуглинистый

рНKCl

7,0

6,8-7,0

7,0-7,2

7,2-7,4

7,6

Гумус, %

>10

7-10

6,5-8

6,0-7,0

5,5-6,0

б, г/см3

1,1

1,1-1,2

1,2-1,25

1,25-1,35

1,35

NO3+NH4, мг/кг

>100

80-100

60-80

45-60

35-45

P2O5, мг/кг

>200

200

140-150

100-120

<80

K2O, мг/кг

>130

130

120

100

<80

Cгк/фк

>2,5

1,9-2,5

1,7-1,9

1,5-1,7

<1,5

Чернозем типичный легкосуглинистый

рНKCl

7,0

6,8-7,0

7,0-7,2

7,2-7,4

7,6

Гумус, %

>9

7,0-9,0

6,0-7,0

5,5-6,0

4,5-5,5

б, г/см3

1,1

1,1-1,2

1,2-1,25

1,25-1,3

1,35

NO3+NH4, мг/кг

>90

70-90

55-70

40-55

30-40

P2O5, мг/кг

>160

160

120-140

80-110

<70

K2O, мг/кг

>130

130

120

100

<80

Cгк/фк

>2,5

1,9-2,5

1,7-1,9

1,5-1,7

<1,5

Чернозем обыкновенный тяжелосуглинистый

рНKCl

8,0

8,0

8,1-8,2

8,2-8,3

8,3-8,5

Гумус, %

8,0

6,0-7,0

5,5-6,0

5,0-5,5

5,0

б, г/см3

1,0

1,0-1,2

1,2-1,25

1,25-1,3

1,3

NO3+NH4, мг/кг

>80

70

60-70

40-50

30-40

P2O5, мг/кг

>150

150

120-130

80-100

<80

K2O, мг/кг

>110

110

100

90

<80

Cгк/фк

2,3

1,95-2,1

1,85-1,95

1,75-1,85

1,7-1,75

Чернозем обыкновенный легкосуглинистый [18, 21, 25, 26, 27, 29,]

рНKCl

8,0

8,0

8,1-8,2

8,2-8,3

8,3-8,5

Гумус, %

7,0

5,6-6,0

5,1-5,5

4,5-5,0

4,2-4,5

б, г/см3

1,0

1,0-1,2

1,2-1,25

1,25-1,3

1,3

NO3+NH4, мг/кг

>70

60-70

50-60

35-50

25-35

P2O5, мг/кг

>130

110-130

90-110

75-90

<70

K2O, мг/кг

>95

85-95

75-85

65-75

<65

Cгк/фк

2,3

1,95-2,1

1,85-1,95

1,75-1,85

1,7-1,75

Чернозем южный тяжелосуглинистый

рНKCl

7,4

7,2-7,4

7,4-7,5

7,5-7,6

7,6-7,7

Гумус, %

5,0

4,5-5,0

3,5-4,5

3,0-3,5

2,5-3,0

б, г/см3

1,2

1,2-1,25

1,25-1,3

1,3-1,35

1,35

NO3+NH4, мг/кг

70

60

50-60

40-45

30-35

P2O5, мг/кг

>120

100

85-95

75-85

65-75

K2O, мг/кг

>100

100

90

80

70

Cгк/фк

1,6

1,55-1,6

1,5-1,55

1,45-1,5

1,4-1,45

Чернозем южный легкосуглинистый

рНKCl

7,4

7,2-7,4

7,4-7,5

7,5-7,6

7,6-7,7

Гумус, %

4,5

3,8-4,5

3,0-3,8

2,4-3,0

2,0-2,4

б, г/см3

1,2

1,2-1,25

1,25-1,3

1,3-1,35

1,35

NO3+NH4, мг/кг

60

50-60

42-50

34-40

28-34

P2O5, мг/кг

>100

85

72-85

64-72

55-64

K2O, мг/кг

>90

90

80

70

60

Cгк/фк

1,6

1,55-1,6

1,5-1,55

1,45-1,5

1,4-1,45

Каштановая почва тяжелосуглинистая

рНН2О

7,5

7,5

7,3-7,4

7,2-7,3

7,1-7,2

Гумус, %

>4,0

3,7-4,0

3,4-3,5

3,0-3,1

2,5-2,7

б, г/см3

1,2

1,2-1,3

1,3-1,35

1,35-1.35

1,35-1,4

NO3+NH4, мг/кг

>40

40

30-40

20-30

10-20

P2O5, мг/кг

>60

50

40-50

30-40

10-20

K2O, мг/кг

600

400-600

300-400

200-300

100-200

Cгк/фк

>1,0

1,0

0,9-1,0

0,8-0,9

0,7-0,8

Светло-каштановая почва

рНН2О

7,5

7,5

7,6-7,8

7,8-8,0

8,0-8,2

Гумус, %

>2,5

2,0-2,5

1,5-2,0

1,0-1,5

0,5-1,0

б, г/см3

1,2

1,2-1,3

1,3-1,4

1,4-1,5

>1,5

NO3+NH4, мг/кг

>40

30-40

20-30

10-20

<10

P2O5, мг/кг

>50

40-45

30-40

20-30

10-20

K2O, мг/кг

500

350-500

250-300

150-250

100-150

Cгк/фк

>1,0

1,0

0,8-1,0

0,6-0,8

0,5-0,6

Бурые пустынно-степные почвы

рНН2О

7,5

7,5

7,6-7,8

7,8-8,0

8,0-8,2

Гумус, %

>2,0

1,0-1,5

0,7-1,0

0,3-0,7

0,3-0,5

б, г/см3

1,3

1,3-1,4

1,40-1,45

1,45-1,5

>1,5

NO3+NH4, мг/кг

>20

15-20

10-15

5-10

<5

P2O5, мг/кг

>30

25-30

20-25

15-20

<10

K2O, мг/кг

>300

220-300

150-220

100-150

<100

Cгк/фк

>1,0

1,0

0,8-1,0

0,6-0,8

0,5-0,6

Примечание. Таблица составлена Ю.Г.Безбородовым, Е.А.Лентяевой, Л.В.Кирейчевой [6,7]

Алгоритм выполнения расчетов включал определение биоэнергетического потенциала лабильной части гумуса, расчет количества биогенной энергии для зональных почв при оптимальном содержании гумуса и при слабой, средней и сильной степени деградации почвы, а также обоснование количества утраченной почвой энергии. Для доведения энергетического ресурса деградированных почв до оптимального состояния определено необходимое количество внесения органического вещества, позволяющего компенсировать утраченную почвой энергию.

Результаты и их обсуждение

Анализ таблицы 1 показал, что, несмотря на общую тенденцию снижения запасов гумуса и ухудшения агрохимических показателей, почвы по-разному реагируют на проявление деградационных процессов. Наибольшие изменения агрохимических показателей наблюдается в дерново-подзолистых и светло-каштановых почвах, в них происходит значительное снижение запасов гумуса на 70-80%, кроме того наблюдается снижение содержания питательных элементов, в частности азота на 90-75%, фосфора - 84-80% и калия на 62-80%. Одновременно происходят различные физико-химические процессы: в дерново-подзолистых почвах происходит снижение pН с 6,0 до 4,6, то есть развивается процесс окисления почвы, а в светло-каштановых почвах, наоборот, наблюдается процесс ощелачивания, pH повышается с 7,5 до 8,2. Меньше всего подвержены процессам деградации почвы черноземного типа: снижение гумуса в черноземе обыкновенном составляет 30%, в черноземах выщелоченном и типичном - 45% и в черноземе южном - 50%. Практически во всех типах черноземов происходит значительное снижение азота до 75%, а снижение калия составляет лишь 28-30%. Исключением является чернозем выщелоченный, в нем наблюдается резкое снижение всех питательных веществ, а именно азота на 75%, фосфора на 73%, калия на 85%. Наиболее развиты процессы ощелачивания в черноземе выщелоченном, значение pH увеличивается от 6,5 до 7,4. Наблюдается изменение соотношения гуминовых и фульвокислотв почвенном гумусе: у дерново-подзолистых почв в 3 раза, у светло-каштановых и бурых пустынно-степных в 2 раза, а у серых лесных в 1,5 раза. Для черноземов характерны следующие изменения: у выщелоченного - в 1,8 раза, типичного в 1,6 раза, обыкновенного в 1,4 раза, южного в 1,1 раз, что свидетельствует о трансформации органического вещества почвы. Также следует отметить, что процессу деградации сопутствуют единые для всех типов почв процессы, влияющие на физические свойства, в частности, их уплотнение.

С использованием предложенной методики были рассчитаны биоэнергетические потенциалы лабильной части гумуса основных типов почв европейской части России (табл. 2) [24].

Таблица 2 - Биоэнергетический потенциал лабильной части почвенного гумуса различных типов почв (составлена О.Б.Хохловой c учетом данных Д.С.Орлова, 1985[18,19])

Тип почвы

Тип гумуса

Сгк/Сфк

Доля фракциони-

руемого гумуса,%

БЭП фракционируемой части гумуса,

кДж/г или ГДж/т

Дерново-подзолистые

0,6-0,8

50

3,95

Серые лесные

1,0-1,1

70

5,64

Черноземы

1,5-2,5

70

5,80

Каштановые

1,5

60

4,95

Бурые полупустынные

0,8-1,0

60

4,80

Из таблицы следует, что потеря одной тонны гумуса для разных типов почв соответствует потере различного количества биогенной энергии от 3,95 ГДж/т для дерново-подзолистых почв до 5,8 ГДж/т для черноземов. Следовательно, даже при равных вещественных потерях гумуса в процессе деградации, почвы теряют разное количество энергии и это следует учитывать при их восстановлении.

Оценка биоэнергетического потенциала почвенного гумуса выполнялась для зональных почв (таблица 1). Зная процентное содержание гумуса и объемный вес для каждой степени деградации, определялось количество гумуса в почвенном слое толщиной 20 см на гектар площади и биоэнергетический потенциал в ГДж /га при оптимальном состоянии почвы, а также при слабой, средней и сильной степени их деградации (табл. 3).

Таблица 3 - Биоэнергетический потенциал зональных почв при их оптимальном состоянии и разной степени деградации (ГДж/га) в слое 0,2 м

Тип почвы

БЭП при оптимальном состоянии почвы, ГДж/га

БЭП

при слабой степени деградации, ГДж/га

БЭП при средней степени деградации ГДж/га

БЭП при сильной степени деградации,

ГДж/га

Дерново-

подзолистые

338,9

229,1/32

177,8/47

122,5/64

Серые лесные тяжелосуглинистые

493,5

380,7/23

315,8/36

245,3/50

Черноземы выщелоченные тяжело и легкосуглинистые

974,4

870,0/11

829,4/15

704,7/28

Черноземы типичные тяжело и легкосуглинистые

1299,2

1160,0/11

1097,2/15

939,6/28

Черноземы обыкновенные тяжело и легкосуглинистые

1116,0

980,0/12

829,4/26

754,0/32

Черноземы южные тяжело и легкосуглинистые

725,0

642,1/11

548,1/24

469,8/35

Каштановые почвы тяжелосуглинистые

534,6

454,4/15

414,3/23

374,2/30

Бурые пустынно-степные почвы

201,6

139,2/31

100,8/50

72/64

Примечание: в числители БЭП в ГДж/га, в знаменателе - снижение БЭП в % по сравнению с оптимальным значением.

Из таблицы 3 видно, что наиболее устойчивы к процессам деградации почвы черноземного типа: при слабой степени деградации потери биоэнегрии составляют 11 %, при этом у дерново-подзолистых почв потеря составляет 32%, а у бурых полупустынных - 31 %. Наименьшее количество энергии при деградации теряют черноземы типичные и обыкновенные 11 % при слабой степени деградации, 15-24 % - при средней степени и до 35% при сильной степени деградации, благодаря значительному запасу гумуса, хорошо выраженной буферной системы и высокоорганизованной структуры. Следует заметить, что при сравнительно малых в процентном содержании потерях количественные энергетические потери у почв черноземного типа достаточно велики и сопоставимы с потерями у дерново-подзолистых, серых лесных и бурых полупустынных почв. Утраченная энергия при сильной степени деградации у дерново-подзолистых почв составляет 216 ГДж/га, серых лесных 248, а у типичных черноземов до 360 ГДж/га. А это свидетельствует о том, что затраты энергии на восстановлении черноземных почв будут более значительны. Из таблицы 3 следует, что затраты энергии на восстановление различных типов почв будут разные, что связано с типом гумуса: соотношение гуминовых и фульвокислот. Так, для дерново-подзолистых почв наиболее энергоемким будет переход от слабой степени деградации до оптимального состояния по гумусу: потребуется 109,8 ГДж/га, а для перехода от сильной к средней всего 55 ГДж/га. Для типичных черноземов наоборот, наибольшие затраты энергии потребуются для перехода от сильной до средней степени деградации -157,6 ГДж/га, а дальнейшим эволюционирующим процессам в почве будут способствовать такие свойства черноземов, как высокая буферность и хорошая структурная организация, поэтому для восстановления от слабой степени деградации до оптимального состояния потребуется внести 139,2 ГДж/га. Таким образом, в черноземах аккумулированная биогенная энергия находится в более «защищенном» состоянии и существенно теряется только при высоком уровне деградации, в отличие от дерново-подзолистых почв, где незначительный уровень деградации приводит к значительной потере биогенной энергии.

Выполнен расчет дозы внесения наиболее распространенного органического удобрения - компоста на основе навоза крупного рогатого скота (КРС), у которого содержится до 60% органического вещества и биоэнергетический потенциал сухого вещества составляет 4,77 ГДж/т (табл. 4).

Таблица 4. Расчет дозы компоста на основе навоза крупного рогатого скота

Тип почвы

Доза внесения компоста на основе навоза крупного рогатого скота (КРС) (в расчете на 60% влажность):

от сильной до средней степени деградации, т/га

от средней до слабой степени деградации, т/га

от слабой степени деградации до оптимального состояния,

т/га

Всего: т/га

Дерново-подзолистые

30,0

27,0

57,5

114,5

Серые лесные

37,0

34,0

59,0

130,0

Черноземы выщелоченные

65,4

21,3

54,7

141,4

Черноземы типичные

82,6

33,0

73,0

188,6

Черноземы обыкновенные

39,5

79,1

71,3

189,9

Черноземы южные

41,0

49,3

43,5

133,8

Каштановые 

21,4

21,0

42,2

84,6

Бурые пустынно-степные

15,1

20,1

32,7

67,9

Расчеты показали, что в процессе деградации теряется значительное количество энергии практически для всех типов зональных почв, из которых самыми уязвимыми являются почвы черноземного типа, для восстановления которых при сильной степени деградации потребуется внести почти 200 т/га органических удобрений. Причем даже при слабой степени деградации потребуется внести от 40 до 70 т/га.

При восстановлении деградированных почв необходимо не только восполнить дефицит органического углерода и питательных элементов, но самое главное восстановить энергетическую функцию и обеспечить эволюционное развитие почвы. Учитывая, что гумусообразование относится к гетерогенным процессам и зависит от величины удельной поверхности или гранулометрического состава, то для воспроизводства почвенного плодородия необходимо создание прочной структуры почвы с минеральными матрицами глинистой фракции, что позволит повысить влагоемкость почвы и будет способствовать закреплению биогенных элементов. Важнейшая роль принадлежит органическому материалу как источнику потенциальной энергии. При подборе органического вещества необходимо учитывать показатель кислотности, оптимальное значение которого составляет 6.5-7.5, так как при большей кислотности теряется часть гуминовых веществ и угнетается полезная микрофлора, в более щелочной среде часть фосфора переходит в недоступные для растения формы. Для трансформации органических веществ в гумусовые вещества требуется активизация микробиологических процессов. А это требует разработки специальных органоминеральных удобрений, обладающими всеми вышеперечисленными свойствами [8,9].

Заключение

Актуальность исследования заключается в формировании нового теоретического подхода к оценке энергетической функции почвы, обеспечивающей ее плодородие и устойчивость при антропогенном воздействии. В этой связи данные исследования направлены на выявление и раскрытие причин потери биоэнергетического потенциала почвой вследствие ухудшения основных агрохимических свойств и снижения запасов гумуса для зональных почв европейской части России. Ведущим подходом к решению поставленной задачи явилась разработка методики определения биоэнергетического потенциала органического вещества почвы, что позволяет рассчитать биогенную энергию (биоэнергетический потенциал) любого органического вещества исходя из его элементного состава на основе стехиометрии, закономерностей процессов биологического окисления и термодинамических законов.

В работе раскрыты закономерности снижения энергетической функции почв при изменении агрохимические свойства почв в процессе деградации. Показано, что наиболее подвержены деградации дерново-подзолистые и серые лесные почвы, уже при слабой степени деградации коэффициенты энергетического ресурса снижаются в 2 раза, а при средней степени деградации они практически теряют свою продуктивность. Более устойчивые к процессам деградации почвы черноземного типа благодаря значительному запасу гумуса, хорошо выраженной буферной системы и высокоорганизованной структуры.

Обоснованы энергетические затраты для восстановления деградированных почв в зависимости от степени деградации: показано, что наибольшие затраты энергии требуются для восстановления дерново-подзолистых почв и выщелоченных черноземов от 364.85 до 449.29 Гдж./га. Для восполнения утраченного плодородия рассчитаны дозы внесения органического удобрения.

Список литературы

Габбасова И.М. Деградация и рекультивация почв Южного Приуралья: дис. д-ра с.-х. наук. М.: МСХА, 2001. 45 с.

Доклад о состоянии и использовании земель сельскохозяйственного назначения российской Федерации в 2015 году. Министерство сельского хозяйства РФ. М. - 2017 г. - 198 с..

Егоров В.В., Фридланд В.М. и др. Классификация и диагностика почв СССР. М.:Колос, 1977, 233с.

Зайдельман Ф.Р. Гидрологический фактор антропогенной деградации почв и меры ее предупреждения //Почвоведение. 2000. №10.С.1272-1284

Информационный ресурс. Ecology:world soils charter//www.fao.org.

.Кирейчева Л.В., Лентяева Е.А. Восстановление антропогенно-деградированных почв земель сельскохозяйственного назначения // Агрохимический вестник. 2016. Т. 5. № 5. С. 2-6.

.Кирейчева Л.В., Лентяева Е.А., Безбородов Ю.Г. К вопросу оценки степени деградации зонально-провинциальных почв.//
Мелиорация и водное хозяйство: проблемы и пути решения. Материалы международной научно-практической конференции. М. Изд. ВНИИГиМ, 2016. С. 306-315.

.Кирейчева Л.В., Хохлова О.Б. Повышение плодородия почв на основе внесения сапропелей // Вестник российской сельскохозяйственной науки. 2005. № 5. С. 37-39.

.Кирейчева Л.В., Яшин В.М. Эффективность применения органоми-неральных удобрений на основе сапропеля // Агрохимический вестник.- 2015.- №2.- С. 37-40.

.Козловский Ф.И. Теория и методы изучения почвенного покрова. М.: ГЕОС, 2003. - 535 с.

Королёв В.А. Физические свойства антропогенно преобразованных чернозёмов ЦЧО / В.А. Королёв // Проблемы антропогенного почвообразования. М.: Почв. инст. им. В.В. Докучаева, 1997. - Т. 2. - С. 166 - 169.

.Кривоконева Е.Ю. Агроэкологическое состояние плодородия черноземов Центрального Предкавказья :на примере Кировского района Ставропольского края: : Дисс. канд. биол. наук // НГМА. Новочеркасск, 2008. - 48 с

.Лененджер А. Основы биохимии.т.2.М.: Мир; 1985.368с.

.Литвинович А.В. Деградация хорошо окультуренных почв гумидных и аридных регионов / А.В. Литвинович. LAMBERT Academic Publishing, 2011. 278 с.

Масютенко Н.П. Научные основы и методы оценки энергетического состояния почв в агроландшафтах. Курск. 2004. 53с.

Научные основы предотвращения деградации почв (земель) сельскохозяйственных угодий России и формирования систем воспроизводства их плодородия в адаптивно-ландшафтном земледелии: Т.1. Теоретические и методические основы предотвращения деградации почв (земель) сельскохозяйственных угодий. Коллективная монография. - М.: Почв. ин-т. им. В.В. Докучаева Россельхозакадемии, 2003, 756 с.

.Овчинникова М.Ф. Особенности трансформации гумусовых веществ в разных условиях землепользования (на примере дерново-подзолистой почвы): Автореф. . д-ра биол. наук. М., 2007. - 48 с.

Орлов Д.С. Химия почв. Издательство: МГУ, 1985г. 376 с.

Орлов Д.С., Бирюкова О.Н., Суханова Н.И. Органическое вещество почв Российской Федерации. М.: Наука, 1996. - 254 с.

Панкова Е.И., Новикова А.Ф. Деградационные процессы на сельскохозяйственных землях России // Почвоведение. - 2000. - № 3. - С. 366-379

Пригожин И., Кондепуди Д. Современная термодинамика от тепловых двигателей до диссипативных структур. Пер. с англ.: М.: Изд. Мир, 2009, 461с.

Рейнгард Я.Р. Деградация почв на юге западно-сибирской низменности. Автореф. дис. д-ра биол. наук., Тюмен. гос. с.-х. акад..- Омск, 2007. 45 с.

Скулачев В.П. Аккумуляция энергии к клетке. М.:Наука;1969. 440с.

Хохлова О.Б. Повышение плодородия малопродуктивных и деградированных почв удобрительно-мелиорирующими смесями на основе сапропелей. Диссертация на соискание ученой степени доктора сельскохозяйственных наук / Всероссийский научно-исследовательский институт гидротехники и мелиорации им. А.Н. Костякова. Москва, 2007. 302 с.

Фрид А.С. Зонально-провинциальные нормативы изменений агрохи мических, физико-химических и физических показателей основных пахотных почв европейской территории России при антропогенных воз действиях / А.С. Фрид, И.В. Кузнецова, И.Е. Королёв и др. М.: Почв. ин-т. им. В.В. Докучаева, 2010. 176 с.

Хитров Н.Б. Деградация почвы и почвенного покрова: понятия и подходы к получению оценок//Антропогенная деградация почвенного покрова и меры ее предупреждения. Тез. докл. Всерос. конф. М. Почв. ин-т им. В.В.Докучаева РАСХН 1998. Том 1,С.20-26.

Хохлова О.Б., Кузнецова Е.Д., Сапожникова Н.Г. Методика расчета энергетической ценности питательных сред на основе стехиометрических закономерностей процесса биологического окисления. Альманах клинической медицины. 2017; 45(2):159-162.

Размещено на Allbest.ru


Подобные документы

  • Типы и виды деградации пригородных почв, оценка степени деградации. Способы рекультивации загрязненных почв. Характеристика г. Ижевска как источника химического загрязнения почв. Технологические приёмы рекультивации почв, загрязнённых тяжёлыми металлами.

    курсовая работа [57,5 K], добавлен 11.06.2015

  • Проблема деградации почвы. Анализ возникновения опустынивания как кризисной экологической ситуации на юге Российской Федерации. Проявление процессов эрозии почв в истории. Ветровая и водная эрозия почв, ее проявление на территории Российской Федерации.

    реферат [187,3 K], добавлен 13.10.2014

  • Понятие почвы и земельные ресурсы мира. Почвенный покров и его использование. Промышленное загрязнение почвы, кислотные дожди, тяжелые металлы. Водная и ветреная эрозия почв и методы борьбы с нею. Роль почвы в обмене веществ. Решение проблем деградации.

    курсовая работа [44,0 K], добавлен 16.02.2012

  • Виды загрязнения почвы, их характеристика. Оптимальные значения рН почвы для выращивания основных сельскохозяйственных культур. Соли, наиболее опасные при засолении почвы. Принимаемые меры для восстановления плодородия почвы при обнаружении ее засоления.

    контрольная работа [28,8 K], добавлен 10.01.2017

  • Понятие педосферы С. Захарова, ее структура. Анализ биоэкологической, биоэнергетической, гидрологической функций. Процессы деградации почв России: обесструктуривание, ветровая эрозия. Типы деградации почв: засоление, заболачивание, загрязнение почв.

    реферат [214,5 K], добавлен 19.04.2012

  • Основные функции почвенного покрова, глобальная оценка деградации почв. Геоэкологические проблемы земледелия: водная и ветровая эрозия почв; последствия применения удобрений, пестицидов; уплотнение почвы. Геоэкологическая устойчивость сельского хозяйства.

    реферат [21,6 K], добавлен 08.11.2013

  • Методы оценки загрязнения почв в объективном представлении о состояние почвы. Оценка опасности загрязнения почв. Биотестирование как наиболее целесообразный метод определения интегральной токсичности почвы. Биодиагностика техногенного загрязнения почв.

    реферат [54,0 K], добавлен 13.04.2008

  • Особенности почвы как объекта химического исследования и показатели химического состояния почв. Подготовка проб почвы с исследуемых участков. Составление аналитической пробы. Определение молибдена в вытяжках из почв, в растворах золы кормов и растений.

    презентация [248,8 K], добавлен 01.06.2014

  • Определение степени деградации почв и земель. Расчет снижения годовой платы за загрязнение воздуха. Значение коэффициента пересчета дохода с сельскохозяйственных земель в зависимости от времени их восстановления. Нормативы платы за размещение отходов.

    контрольная работа [35,8 K], добавлен 13.02.2011

  • Виды антропогенного воздействия на экосистемы и их реакция. Деградация почв - процессы, ухудшающие плодородие: разрушение структуры, потеря гумуса и обменных оснований. Особенности физической, химической и биологической деградации, факторы эрозии.

    доклад [555,6 K], добавлен 25.11.2012

Работы в архивах красиво оформлены согласно требованиям ВУЗов и содержат рисунки, диаграммы, формулы и т.д.
PPT, PPTX и PDF-файлы представлены только в архивах.
Рекомендуем скачать работу.