Изменение количественных и качественных характеристик состояния органического вещества

Размещено на http://www.allbest.ru/

Изменение количественных и качественных характеристик состояния органического вещества

Гогмачадзе Г.Д.*, Матюк Н.С.**, Полин В.Д.**, Коваленко Е.В.**

*«ВНИИ Агроэкоинформ»

**РГАУ-МСХА им. К.А. Тимирязева

Длительное природное и антропогенное воздействие разной степени интенсивности на почвенный покров снижает продуктивность и экологическую устойчивость различных агроэкосистем по сравнению с естественными биогеоценозами. При этом динамика убыли содержания углерода в деградированных агроландшафтах имеет ярко выраженный характер в первые три ротации севооборота, а в дальнейшем стабилизируется, достигая экологического равновесия, присущего конкретному агроценозу (0,6-0,8 % Сорг). Систематическое обогащение почвы органическим веществом в дозе 17,4 т/га навоза замедляет процессы минерализации, обеспечивая содержание углерода на уровне 1,23-1,24 % Сорг. Динамика изменения содержания гумуса в травянистых биоценозах носит слабо выраженный накопительный характер.

При этом изменяются не только параметры количественных, но и качественных характеристик состояния органических соединений дерново-подзолистой почвы, в том числе и соотношение центральной и периферической части гуминовых кислот, которые наиболее активно участвуют в питании растений. Наибольшей степенью участия центральной группировки в построении характеризуются гуминовые кислоты деградированных экосистем (Z=0,52), а наименьшей - интенсивных (Z=2,67) и сверхинтенсивных (Z=3,01).

Ключевые слова: ДЛИТЕЛЬНЫЙ ОПЫТ, АГРОЭКОСИСТЕМЫ, ГУМУС, ПРОЦЕССЫ ТРАНСФОРМАЦИИ, ЭНЕРГОЕМКОСТЬ АГРОБИОЦЕНОЗОВ

Базисная роль почвенного покрова в устойчивом функционировании биогеоценозов определяется множественностью его функций, высокой буферностью и адаптивностью к внешним воздействиям природных и антропогенных факторов. Биологическая продуктивность почвенного покрова как результат влияния биоэнергетических и геохимических процессов выражается в накоплении, воспроизводстве и сохранении энергии, высвобождающейся в результате циклической фиксации и эмиссии соединений углерода, азота, фосфора, калия и других биофильных элементов [1, 2].

К экологическим функциям почвы относятся: аккумуляция энергетических потоков в гумусе, воспроизводство плодородия, регулирование деятельности микробного сообщества, преобразование поступающих в почву в виде удобрений органических и минеральных веществ, а также поддержание на безопасном уровне среды обитания.

В последние 50 лет интенсивность потерь углерода почв усиливается, что приводит к ослаблению биогеоценотических функций почвенного покрова, регулирующих баланс СО2 в атмосфере [3].

Изучение изменения агроэкологических функций дерново-подзолистых легкосуглинистых почв южной части таежно-лесной зоны за более чем 100-летний период позволяет оценить устойчивость агроэкосистем, различных как по направленности, так и по интенсивности процессов обмена веществами и энергией [4].

Целью исследований было проведение мониторинга динамики изменения количественных и качественных параметров агроэкологического состояния агроэкосистем южной части таежно-лесной зоны при длительном воздействии на них природных и антропогенных факторов разной интенсивности.

Исследования проводились в 2012-2015 гг. в Длительном полевом опыте РГАУ-МСХА им. К.А.Тимирязева, заложенном в 1912 году профессором А.Г.Дояренко.

Почва опытного участка - дерново-слабоподзолистая легкосуглинистая старопахотная, сформировалась на неоднородной супесчаной и суглинистой морене.

Объектами исследований являлись агроэкосистемы, различающиеся по величине вложенной и отчужденной антропогенной энергии, а именно:

- деградированные - поле чистого пара с содержанием органического углерода на уровне квазиравновесного состояния, обеспеченного гранулометрическим составом (0,5-0,6 % Сорг, поле чистого пара при соответственном фоне питания);

- экстенсивные - монокультуры яровых зерновых, технических (лен) и пропашных (картофель) культур при естественном фоне питания с содержанием Сорг 0,8-0,9 %;

- компромиссные - монокультуры озимой ржи и клевера на фоне применения высоких доз минеральных и органических удобрений (N100P150K120+20 т/га навоза), а также многолетняя травянистая залежь с содержанием Сорг 1,4-1,5 %;

- интенсивные - севооборотные участки с биоразнообразием сельскохозяйственных растений на идентичном фоне питания с 1950 г. при содержании Сорг 1,2-1,3 %;

- сверхинтенсивные - то же сочетание с 1912 г. (Сорг 1,1-1,2 %)

Программа исследований включала: определение содержания подвижных форм фосфора по Кирсанову и обменного калия по Масловой; содержания гумуса по методу Тюрина в модификации ЦИНАО и термографическим анализом на модернизированном термоаналитическом комплексе на базе дериватографа Q-1500Д; фракционного состава гумуса методом М.М.Кононовой и Н.П.Бельчиковой.

Результаты исследований и обсуждение. Под действием природных и антропогенных факторов почва как сложная биохимическая система изменяет все топоморфологические признаки, присущие данному типу почвообразования, стремясь к равновесному агроэкологическому состоянию с климатической нормой и биоценозом, развитым на ней. Показателями высокой экологической устойчивости почвенного покрова являются замкнутость биологического круговорота веществ в биоценозе и низкая степень абиотичности почвы, определяющие его реакцию на изменение условий воздействия внешних факторов.

Агроэкологические функции почв выражаются определенными количественными и качественными параметрическими характеристиками, отражающими изменения гумусового состояния почвенного покрова, направленность биохимических процессов превращения и аккумуляции органического вещества и элементов питания, экологической устойчивости и энергетической емкости в различных агроэкосистемах.

Из-за нарушения сбалансированности биологического круговорота веществ за счет отчуждения макро- и микроэлементов с урожаем падает производительная способность почв в агроценозах, а, следовательно, и их энергетическая емкость. Из разнообразия агроэкологических функций почв можно выделить ограниченное число важных прямых и обратных связей между почвой и внешней средой, а также между отдельными компонентами внутри почвы, важнейшими из которых являются содержание и запасы гумуса. Гумусовые вещества являются энергетическими агентами, обеспечивающими растения питательными веществами, поэтому потери гумуса могут служить интегральным показателем деградации почвенного покрова и изменения энергоемкости агробиоценозов.

Наши исследования в агроэкосистемах Длительного опыта МСХА показали, что длительное (более 100 лет) воздействие природных и антропогенных факторов приводило к изменению направленности биохимических процессов превращения органического вещества в сторону его минерализации, что обусловило снижение содержания органического углерода, в зависимости от способа использования пашни, на 0,49% в деградированных, 0,21% в экстенсивных и 0,12% в интенсивных агроэкосистемах. Наибольшие потери углерода (0,23%) отмечали в деградированных агроэкосистемах в первые два десятилетия после закладки опыта (рис. 1).

Интенсивность воздействия на почвенный покров дерново-подзолистой легкосуглинистой почвы разнообразными технологическими приемами проявлялась и в изменении запасов гумуса (рис. 2).

Рис. 1. Изменение направленности биохимических процессов превращения углерода в агроэкосистемах разной интенсивности (Сорг, %)

При отсутствии источников поступления в агроэкосистемы биофильных элементов все культивируемые агрофитоценозы обусловливали убыль запасов гумуса, числовые значения которых коррелировали с интенсивностью воздействия на них антропогенных факторов. Наибольшие потери (34,3 т/га) отмечали в деградированных агроэкосистемах, а наименьшие (2,8 т/га) - в сверхинтенсивных с ежегодным поступлением около 20 т/га органики в виде навоза и пожнивно-корневых остатков.

Интенсивность использования пахотных земель изменяет не только количественное, но и качественное состояние гумуса. Определение содержания органического вещества термоаналитическим методом позволяет по способности к деструкции в разных температурных областях условно выделить центральную и периферическую части в структуре гумусовых кислот (рис. 3).

Рис. 2. Роль интенсивности использования пашни в изменении запасов гумуса (т/га) за 102-летний период

Рис. 3. Соотношение центральной и периферической частей органического вещества, %

Для количественной оценки участия периферических радикалов и центральных фрагментов в построении молекул гумусовых кислот принято предложенное проф. В.А.Черниковым соотношение потери массы в низко- (<4000 С) - и высокотемпературной (>5000 С) области, обозначаемое показателем Z. Установлено, что наибольшей степенью участия в построении центральной группировки характеризуются гуминовые кислоты в деградированных агроэкосистемах (Z=0,52), а наименьшей - в сверхинтенсивных (Z=3,01).

Основным источником гумусообразования в экстенсивных агроэкосистемах являются растительные остатки, поступающие в почву после уборки культуры. Их химический состав и соотношение С:N определяют направленность биохимических процессов их превращения и соотношение между гуминовыми и фульвокислотами (рис. 4).

Рис. 4. Изменение соотношения гуминовых и фульвокислот в агроэкосистемах разной интенсивности

Установлено, что в интенсивных агроэкосистемах отношение гуминовых кислот к фульвокислотам ближе к единице, а в экстенсивных оно составляет 0,6-0,8.

Гумусовые вещества активно взаимодействуют с электромагнитными коле-баниями, образуя очень сложные по рисунку спектры поглощения в широком диапазоне длин волн (рис. 5).

В наших исследованиях более высокие показатели степени конденсированности гумусовых веществ отмечаются в компромиссных и интенсивных агроэкосистемах.

В мониторинге экологического состояния почв особое место занимает оценка количественных и качественных изменений жизнедеятельности микробного сообщества, а также соотношения эколого-трофических групп микроорганизмов в нём. (табл. 1)

Рис. 5. Степень конденсированности гумусовых веществ в разных агроэкосистемах

Таблица 1. Влияние интенсивности использования пашни на численность микроорганизмов, (КОЕ/г), в среднем за 2012-2014 гг.

В деградированных агроэкосистемах (102-летний чистый пар) преобладает группа микроорганизмов, использующих минеральный азот, в интенсивных их численность примерно равная, а в сверхинтенсивных резко уменьшается доля сообщества, использующего органические соединения.

Коэффициент минерализации, отражающий направленность биохимических процессов разложения органического вещества и рассчитанный по отношению численности микроорганизмов, усваивающих минеральные формы азота на КАА, к численности аммонифицирующих бактерий на МПА, во всех исследуемых агробиоценозах имеет значение более единицы, что указывает на доминирование биохимических процессов распада органического вещества над его синтезом и обусловливает снижение экологической устойчивости агроэкосистем.

Одним из основных экологических показателей при изучении микробиологического ценоза является метаболический коэффициент, по которому можно судить об устойчивости микробного сообщества почвы. Чем ближе он к 0, тем в более устойчивом состоянии находится биоценоз [5].

В исследуемых агроэкосистемах коэффициент устойчивости изменялся от 0,29 в экстенсивных агробиоценозах до 0,18 в интенсивных и 0,12 - в сверхинтенсивных, что свидетельствует о более высокой экологической устойчивости последних к воздействию неблагоприятных факторов внешней среды (табл. 2).

Таблица 2. Базальное, субстратиндуцированное дыхание и устойчивость агробиоценозов разной интенсивности

Биоэнергетический метод оценки состояния различных агроэкосистем позволяет проследить изменение направленности потоков антропогенной энергии в них и вычленить долевое участие разнообразных антропогенных факторов в формировании общей энергоемкости, что позволяет разработать экспериментально обоснованные нормы допустимой антропогенной нагрузки, гарантирующие сохранение экологической устойчивости агросистемы в целом и всех составляющих ее элементов от разрушения.

Наши исследования и последующие расчеты показали, что естественные травянистые биоценозы, которым присущ более расширенный круговорот органических веществ и замедленная скорость их разложения, по совокупной энергоемкости превосходят агрофитоценозы различной интенсивности (табл. 3).

Таблица 3. Изменение энергоемкости различных агроэкосистем,

тыс. МДж/га

* в знаменателе - процент к компромиссной.

Наибольшие потери энергии за 102-летний период отмечаются в деградированной (43%) и экстенсивной (20%) агроэкосистемах. Дополнительное поступление энергии с минеральными и органическими удобрениями повышает энергоемкость почвы в деградированном ландшафте до уровня компромиссного, а в сверхинтенсивном - увеличивает на 36%. В общей структуре энергоемкости различных агробиоценозов 90-95 % приходится на энергию органического вещества, 2,6-9,1 % - на энергию подвижных форм фосфора, 0,6-2,6 % - обменного калия, 0,8-1,0 % - на энергию вносимых удобрений, 1,1-3,0 % - на растительные остатки и 2,8-4,1 % - на накопленную агрофитоценозом биомассу растений.

С усилением уровня антропогенного воздействия снижается энергетический эквивалент участия органического вещества с 91,7% в деградированных до 84,8% в интенсивных агробиоценозах, при этом вырастает доля участия энергии биофильных элементов в 3,2-3,6 раза.

Заключение

1. Длительное природное и антропогенное воздействие разной степени интенсивности на почвенный покров снижает продуктивность и экологическую устойчивость различных агроэкосистем по сравнению с естественными биогеоценозами. При этом динамика убыли содержания углерода в деградированных агроландшафтах имеет ярко выраженный характер в первые три ротации севооборота, а в дальнейшем стабилизируется, достигая экологического равновесия, присущего конкретному агроценозу (0,6-0,8 % Сорг). Систематическое обогащение почвы органическим веществом в дозе 17,4 т/га навоза замедляет процессы минерализации, обеспечивая содержание углерода на уровне 1,23-1,24 % Сорг. Динамика изменения содержания гумуса в травянистых биоценозах носит слабо выраженный накопительный характер.

2. Интенсивность антропогенного воздействия на агроэкосистемы оказывает влияние на количественное и качественное состояние органического вещества. В компромиссных экосистемах с замкнутым круговоротом биофильных элементов содержание органического вещества стабилизируется на уровне 1,96-2,26 %, в экстенсивных - 1,82-1,87 %, в интенсивных - 1,52-1,60 %, что связано с усилением процессов минерализации и более высокой энергией, отчуждаемой с основной и побочной продукцией возделываемых культур.

3. Усиление уровня антропогенного воздействия на агроландшафт изменяет направленность биохимических процессов превращения и массу органического вещества растительных остатков, что в экстенсивных агроэкосистемах приводит к неизбежным потерям запасов гумуса (3,8-5,7 т/га), в интенсивных - стабилизирует с колебаниями по годам (±1,5 т/га), а в сверхинтенсивных - обеспечивает положительный баланс углерода.

4. Длительное использование пахотных земель влияет на параметры не только количественных, но и качественных характеристик состояния органических соединений дерново-подзолистой почвы, изменяя соотношение центральной и периферической части гуминовых кислот, которые наиболее активно участвуют в процессах накопления биомассы растениями. Исходя из показателя соотношения периферической и центральной части, наибольшей степенью участия центральной группировки в построении характеризуются гуминовые кислоты деградированных экосистем (Z=0,52), а наименьшей - интенсивных (Z=2,67) и сверхинтенсивных (Z=3,01).

6. Количественные и качественные изменения состояния органического вещества дерново-подзолистой почвы как среды обитания микробного сообщества оказали влияние на численность различных групп микроорганизмов. При низком уровне обеспечения энергетическим материалом в деградированных и экстенсивных агроэкосистемах численность микроорганизмов, усваивающих как органический углерод, так и минеральные формы азота уменьшается в 1,3-1,5 раза по сравнению с интенсивными. Дополнительное обогащение почвы органическим веществом за счет внесения навоза (17,8 т/га) увеличивает их количество в 2,3 раза, что повышает устойчивость сверхинтенсивных агроэкосистем по сравнению с экстенсивными в 2,42 раза и интенсивными - в 1,5 раза.

7. Устойчивость агробиоценозов непосредственно связана с изменением энергоемкости различных агроэкосистем под влиянием природных и антропогенных факторов различной интенсивности. Длительное, более 100 лет, экстенсивное использование пахотных земель снижает общую энергоемкость различных агроценозов на 12-43 % по сравнению с природными травянистыми биоценозами. Интенсивное и сверхинтенсивное воздействие на агроландшафт технологическими приемами повышает энергоемкость агроэкосистем на 10-30 %, при этом доля энергии гумуса составляет 80-82 %, запасов биофильных элементов - 10,8%, антропогенных факторов - 2,0% и отчуждаемой энергии - 4,5-6,5 %.

почва антропогенный агробиоценоз

Список использованных источников

1. Добровольский Г.В., Никитин Е.Д. Экологические функции почв. - М.: Изд. МГУ. - 1986. - 306 с.

2. Ковда В.А. Проблемы защиты почвенного покрова и биосферы планеты; Ин- т почвоведения и фотосинтеза АН СССР. - Пущино: ОНТИ НЦБИ АН СССР. - 1989. - 156 стр.

3. Макаров Б.Н. Газовый режим почвы. - М.: Агропромиздат. - 1988. - 203 с.

4. Гогмачадзе Г.Д., Матюк Н.С., Полин В.Д., Коваленко Е.В. Изменение параметров плодородия длительно используемых дерново-подзолистых пахотных почв // АгроЭкоИнфо. - 2015, №1. http://agroecoinfo.narod.ru/journal/STATYI/2015/1/st_07.doc.

5. Звягинцев Д.Г., Бабьева И.П., Зенова Г.М. Биология почв. Издательство МГУ. - 2005. - 445 с.

Размещено на Allbest.ru