CC BY
72
Мелиорация и рекультивация, экология
УДК 502/504 : 631.6 : 631.4 А. И. ГОЛОВАНОВ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Российский государственный аграрный университет - МСХА имени К. А. Тимирязева» Институт природообустройства имени А. Н. Костякова
ДИНАМИКА ЗАПАСОВ ГУМУСА ПРИ МЕЛИОРАЦИИ ЗЕМЕЛЬ
Предлагается способ расчета запасов гумуса, основанный на результатах столетних их изменений (1881-1981) с учетом темпов образования гумуса, потерь его при орошении, эрозии и минерализации.
Гумус, гумусообразование, скорость минерализации.
There is proposed an estimation method of humus supplies based on the results of their changes during a century (1881-1981) taking into consideration the rates of humus formation,its losses under irrigation,erosion and mineralization.
К
Humus, humus formation, speed of mineralization.
Почва способна на некоторое время извлекать из биологического круговорота продукты фотосинтеза в виде гумуса -сложного органоминерального вещества, активно участвующего в почвообразовании, придающего почве нужные свойства, аккумулирующего питательные вещества и, в конечном счете, формирующего плодородие почвы. Запасы гумуса наибольшие в ландшафтах, оптимально обеспеченных теплом и влагой. В России это черноземные степи, где запасы гумуса во всем профиле достигают 600...1000 т/га, в почвах лесостепей и широколиственных лесов - около 300, в таежных подзолистых почвах - около 100 т/га.
Гумус образуется в процессе гумификации - сложного, до конца не изученного биохимического процесса, в результате которого часть органических остатков превращается в специфические органические соединения - гумусовое вещество в виде смеси высокомолекулярных азот-
содержащих соединении с содержанием углерода 36...62 % в разных фракциях и азота 2,0.8 %. Этот процесс характеризуют коэффициентом гумификации
равном доле углерода органических
остатков, включившихся в состав гумусовых веществ при полном их разложении. В табл. 1 приведены значения коэффициентов Кур - доля хозяйственно ценноИ части урожая, Кс - доля углерода в сухой биомассе или навозе и К - коэффици-
гум А А
ент гумификации [1].
Гумусовые вещества разделяют на три фракции:
фульвокислоты - наиболее растворимая часть гумуса с содержанием 40.52 % углерода, 4.6 % водорода, 42.52 % кислорода и 2.6 % азота; они имеют более светлую окраску, чем другие фракции, преобладают в подзолистых почвах, в сероземах, красноземах;
гуминовые кислоты - нерастворимы в минеральных и органических
Коэффициенты К , К и К (по А. М. Лыкову)
Л. Ж. ур7 с гуМ у V г
Таблица 1
Культура Урожай, т/га К ур К с К гум
Люцерна летнего сева 2,0 0,377 0,405 0,25
Люцерна 1-го и 2-го года 10,0 0,870 0,405 0,25
Люцерна 3-го года 9,5 0,376 0,405 0,25
Кукуруза на зерно 8,0 0,283 0,357 0,15
Кукуруза пожнивная 40,0 0,847 0,370 0,15
Сахарная свекла 60,0 0,817 0,397 0,08
Картофель 30,0 0,793 0,397 0,08
Озимая пшеница 6,0 0,250 0,348 0,25
Озимый ячмень 6,0 0,250 0,350 0,25
Навоз полуперепревший - - 0,500 0,30
кислотах, с содержанием 52...62 % углерода, 2,8...5,5 % водорода, 31.39 % кислорода, 1,7.5 % азота; имеют темную окраску, преобладают в черноземах, серых лесных и хорошо окультуренных дерново-подзолистых почвах;
гумины - самая инертная часть гумуса, прочно связанная с глинистыми минералами, и частично разложившиеся растительные остатки; их содержание в подзолистой почве равно 25.35 %, в черноземе - 32.40 %, в сероземе - 40.50 %.
Соотношение фульво- и гуминовых кислот зависит от генезиса почв, условий почвообразования; в подзолистых почвах и сероземах фульвокислот относительно больше, отношение С /С, = 0,4.1,0;
гк фк
у черноземов больше гуминовых кислот,
с /а = 1,3.2,3.
гк фк
При мелиорации и последующем использовании земель в сельском хозяйстве надо рассчитывать динамику накопления или сработки запасов гумуса, особенно при распашке, орошении или осушении земель, при борьбе с эрозией почвы, приводящей к смыву или сдуванию гумуса вместе с почвенными частицами. Изменение запасов гумуса во времени приближенно можно описать дифференциальным уравнением (А. И. Голованов): dG/dt = А - BG, (1)
где в - текущие запасы гумуса, т/га; £ - время, лет; А - темпы образования нового гумуса при минерализации растительных остатков или органических удобрений, в том числе и сидератов, т/(гатод), а также потери гумуса ввыш при нисходящих токах влаги, т/(га-год); В - коэффициент, учитывающий потери гумуса при его минерализации и эрозии почвы (год-1).
Интегрируя уравнение (1) при начальном условии £ = 0 и в = в0, получаем: в = А/В + (в0 - А/В) ехр (- В £); (2) А = Gp■0■ + Gyд -G , (3)
НОВ НОВ ВЫМ' V '
где в^в - новообразованный гумус из растительных остатков, т/га в год;
£ро. = 1,724К КБ , т/(гагод); (4)
нов ' гум с р.о. ' 4 гп/7 4 '
Бро - сухая биомасса растительных остатков, которая при известном урожае может быть определена по формуле
Я.о. = У Ква-К.)/^ т/(гагод); (5)
У - урожай сельскохозяйственной культуры, т/га; Ксв - доля сухой массы в урожае, навозе или сиде-ратах (табл. 2); - новообразованный гумус из органических удобрений (навоза, сидератов): вуд = 1,724К К Б ; Б = КА , (6)
нов ' гум с уд ' уд св уд' '
где 1,724 - коэффициент, учитывающий долю углерода в гумусе; Луд - ежегодная доза навоза или запахиваемых сидератов, т/(гатод).
Таблица 2 Доля сухой массы в урожае, навозе и сидератах
Сельскохозяйственная культура, органическое удобрение К св
Зерно Картофель, корнеплоды, силосные Травы на сено Навоз полуперепревший 0,86 0,30 0,83 0,25
й
Вымыв гумуса можно оценить, зная его содержание в почвенной влаге и про-мываемость почвы, возникающую при орошении:
в = 0,01дС, (7)
вым 7 ° г7 '
где g - ежегодная промываемость почвы, мм; Сг -растворимость гумуса, кг/м3.
Растворяется подвижная фракция гумуса в виде фульвокислот, концентрация которых в почвенной влаге зависит от щелочности почвы или от содержания натрия в ППК (от степени осолонцева-ния):
Ш в ППК, %
0 2 4 6 8 10 15 20
Растворимость гумуса Сг, кг/м3 0,35 0,42 0,55 0,62 0,70 0,85 1,22 2,15 При промываемости подзолистых почв южной тайги 100.140 мм/год вымыв гумуса может составить 0,35.0,45 т/(га-год). Это является одной из причин низкого содержания гумуса
3' 2014
в таких почвах, в которых гумуса в однометровом слое содержится около 100 т/га, тогда как в типичных черноземах - до 700 т/га. При орошении урожайность увеличивается, а промываемость может составить 5.6 % суммарной водоподачи (осадки + поливы), что образует вымыв гумуса около 0,1.0,15 т/(гатод).
Коэффициент В в формуле (2) учитывает разложение или минерализацию гумуса, а также его потери при эрозии. Скорость минерализации гумуса и его потери зависят от наличия гумуса, поэтому эта составляющая баланса гумуса в уравнении (2) имеет вид произведения BG. При постоянстве коэффициента В разложение гумуса со временем затухает.
Скорость минерализации зависит от тепло- и влагообеспеченности территории, предопределяющей интенсивность биохимических процессов. В северных районах разложение идет медленней, чем в южных, на его скорость влияет высокая влажность почвы и низкая температура. При переувлажнении разложение приостанавливается, вместо окислительных идут процессы гниения и консервации растительных остатков, наблюдается тор-
фообразование. На юге в полупустынях и сухих субтропиках гумус почти не накапливается из-за быстрого и глубокого разложения органики, в предгорьях образуются малогумусные плодородные сероземы, очень отзывчивые на орошение. Минерализованный гумус пополняет запасы азота и фосфора в почве, но в большей степени он обогащает почвенный воздух углекислым газом, способствуя развитию микроорганизмов.
В величину В должны также входить смыв и выдувание гумуса при водной и ветровой эрозии, так как количество смытого или вынесенного ветром гумуса зависит от массы удаленной почвы и от содержания гумуса в ней, т. е. В = В + В , (8)
мин эр7 '
где Вмин - коэффициент скорости минерализации гумуса, определяемый по запасам гумуса в расчетном слое за многолетний период; в данной работе использованы результаты двух картирований почв черноземной зоны через 100 лет (1891.1981) (табл. 3), в других использованы результаты измерений за другие периоды; Вэр - коэффициент потерь гумуса при эрозии, определяемый по величине ежегодного смыва почвы W :
Вэр = ^р/(104 У^ эр (9)
где у - плотность почвы, г/м3; h - расчетный слой, м.
Сработка запасов гумуса черноземов за 100 лет в слое 0.30 см
Таблица 3
Черноземы Запасы гумуса, т/га Поступление нового гумуса, т/(гатод) Уменьшение гумусообразования, %
1881 г. 1981 г. 1881 г. 1981 г.
Выщелоченные 255 165 2,55 1,65 39
Типичные 345 230 3,45 2,30 33
Обыкновенные 240 155 2,40 1,55 35
Коэффициент Вэр связан с интенсивностью эрозии. Почвы считают слабоэро-дируемыми при ежегодном смыве W =
эр
3 т/(га-год); среднеэродируемыми - до 10; сильноэродированными при смыве более 20 т/(га-год). При массе удаленной почвы Wэр, т/(гатод), и содержании гумуса G, т/га, в слое й, м, с плотностью у, т/м3, ежегодный его смыв водой и вынос ветром Gэр = WэрG/(104 уй). Например, в слое Ъ = 0,2 м при содержании гумуса 6 % или 0,06 массы сухой почвы масса гумуса равна G = 0,06 1,20,2 10000 = 144 т/га. При ежегодной потере почвы 20 т/(га-год) вынос гумуса составит Gэр = 20-144/(104-1,2-0,2) = 1,2 т/(га-год), а при содержании гумуса
4 %, или 96 т/га - 0,8 т/(га-год). Коэффициент В для слабоэродируемых почв равен
эр
0,0001 3/(10 41,20,2) = 0,00125 год-1,
для среднеэродированных - 0,00417, сильноэродированных - 0,00833 год-1.
Наиболее трудно определимым является коэффициент скорости минерализации Вмин. Действительно, в формуле (2) при t = О;" G = G0, а при I G ^ А/В при любом начальном содержании гумуса, т. е. со временем наступает равновесие между приходом новообразованного гумуса и его минерализацией, вымывом, смывом и выносом ветром. О возможности стабилизации запасов гумуса или хотя бы его подвижной части говорит А. А. Роде, М. М. Кононова и другие исследователи. Время стабилизации исчисляют несколькими сотнями лет, основная сра-ботка гумуса происходит в пахотном горизонте. В табл. 4 приведена оценка значения коэффициента скорости
минерализации гумуса Вмин по установившимся запасам гумуса в слое 0.20 см (по данным И. В. Тюрина) с учетом его вымывания нисходящими токами влаги, расчеты коэффициента скорости минерализации гумуса Вмин для различных природных зон и почв. Вынос гумуса вследствие эрозии не учтен, так как предполагается, что при первоначальном накоплении гумуса поверхность почвы защищена растительным покровом. Зна-
чения коэффициента В изменяются в
А А 1 мин
соответствии с условиями минерализации гумуса, для черноземов он равен примерно 0,01 год-1, севернее и южнее его значения уменьшаются. В лесной зоне подзолистых почв при значительном количестве новообразованного гумуса из-за сильной промываемости скорость накопления гумуса мала, также как и в полупустынной зоне бурых почв из-за малого количества новообразованного гумуса.
Таблица 4
Расчеты коэффициента скорости минерализации гумуса В
Зона, почвы Запасы гумуса, т/га Опад, т/(га-год) Новый гумус, т/(га-год) Промы-ваемость g, мм Вымыв гумуса, т/(га-год) А, т/(гатод) В , мПЕ1 год-1
Средняя тайга,
подзолистые 53 5 0,60 125 0,438 0,163 0,0031
Южная тайга,
дерново-подзолистые 75 8 0,96 114 0,399 0,561 0,0075
Широколиственная, серые
лесные 109 12 1,44 97 0,340 1,101 0,0101
Лесостепь, выщелоченные
черноземы 192 19 2,28 82 0,287 1,993 0,0104
Степь, типичные
черноземы 224 15 1,80 56 0,196 1,604 0,0072
Степь, обыкновенные
черноземы 137 14 1,68 45 0,158 1,523 0,0111
Сухая степь, каштановые 99 7 0,84 17 0,060 0,781 0,0079
Полупустыня, бурые 37 2 0,24 6 0,021 0,219 0,0059
Пустыня, серо-бурые 15 0,7 0,08 0 0 0,084 0,0056
Г. Я. Чесняк, Ф. Я. Гаврилюк и другие (1983) сравнили запасы гумуса в 30-сантиметровом слое почвы по карте, составленной В. В. Докучаевым в 1881 году, и по данным съемок 1981 года. При скорости минерализации 0,01 год-1 получены темпы поступления гумуса в естественной степи и после интенсивного сельскохозяйственного освоения, когда поступление гумуса сократилось примерно
на 1/3 (см. табл. 3). Главными причинами сработки запасов гумуса считают отчуждение значительной части (около половины) биомассы с урожаем, которое не компенсируется органическими удобрениями, несмотря на то что продукция надземной части растет за счет урожайных сортов, о чем свидетельствуют данные украинских почвоведов (табл. 5), а также эрозию почвы.
Таблица 5
Уменьшение прироста фитомассы при распашке
Чернозем Место исследования Прирост фитомассы, т/(гатод)
Надземная | Подземная | Вся
В естественных биогеоценозах
Типичный Обыкновенный Южный Заповедник «Михайловская целина» Заповедник «Хомутовская степь» Заповедник «Аскания Нова» 4,2 3,8 3,5 11,2 10,9 13,2 15,4 14,7 16,7
В агроценозах
Типичный Обыкновенный Южный Сумская область Харьковская область Запорожская область Херсонская область 7,7 5,6 4,9 4,3 3,6 3,3 2,8 2,2 11,3 8,9 7,7 6,5
Ниже приводятся темпы сработки стационара при распашке (А. М. Грин-запасов гумуса на землях Михайловского ченко) и вычисленные по формуле (2) при
3' 2014
V0)
А = 1 т/(га-год) и В = 0,01 год-1: Угодье Запасы Вычисленные
гумуса, т/га запасы, т/га Целина 240 240
Пашня 12 лет 229 224
37 лет 213 197
52 года 176 183
90 лет 159 157
Вычисленные запасы почти совпадают с измеренными, что подтверждает правильность формулы (2), которую можно использовать для прогнозных расчетов и оценки мелиоративных приемов с позиций сохранения гумуса.
Если по результатам прогнозных расчетов на всю ротацию севооборота ожидается снижение запасов гумуса, то необходимо вносить органические удобрения под те культуры, при возделывании
которых происходит наибольшая минерализация гумуса.
По формуле (2) можно установить время перехода запасов гумуса с одного установившегося уровня на другой, вызванный, например, распашкой территории. При постоянстве В = 0,01, т. е. без эрозии, запасы гумуса уменьшатся на 0,9 возможного за время стабилизации t
А 1 стаб
= (1/(1-0,9)) = 230 лет; а на 0,8 от возможного - за ^таб = (1/0,01)1п(1/(1-0,8)) = 160 лет. При средней эродируемости значение коэффициента В возрастает до 0,015 и время стабилизации запасов гумуса на уровне 0,9 сократится до 154 лет, а на уровне 0,8 - до 107 лет.
Усредненные по экономическим районам темпы сработки гумуса приведены в табл. 6 (по И. П. Айдарову).
Таблица 6
Темпы сработки запасов гумуса на пашне по экономическим районам, т/(гатод)
Экономический район Годы
1967-71 1981-85 1986-90 1995 2000
Северный 0,31 0,31 0,55 0,26 0,31
Северо-Западный 0,30 0,37 0,47 0,42 0,50
Центральный 0,34 0,19 0,19 0,60 0,71
Волго-Вятский 0,52 0,29 0,20 0,53 0,63
Центрально-Черноземный 0,80 0,34 0,51 0,68 0,80
Поволжский 0,68 0,50 0,50 0,65 0,77
Северо-Кавказский 0,88 0,56 0,72 0,95 1,12
Данные таблицы 6 показывают, что совершенствование ведения сельского хозяйства (улучшение агротехники, рост урожайности, применение удобрений, борьба с эрозией, не повсеместное орошение в небольших масштабах) до 1990 года приводило к уменьшению темпов сработ-ки гумуса, но еще не остановило этот процесс. После экономической реформы и резкого упадка сельского хозяйства скорость сработки гумуса опять увеличилась.
1. Земледелие с почвоведением / А. М. Лыков [и др.] - М.: Агропромиздат, 1985. - 431 с.
2. Гумусовое состояние черноземов. / Г. А.Чесняк [и др.]: В кн. «Русский чернозем - 100 лет после Докучаева». -М.: Наука, 1983. - 176 с.
Материал поступил в редакцию 03.06.14. Голованов Александр Иванович, доктор технических наук, профессор Тел. 8-916-341-35-51 E-mail: [email protected]
3' 2014
111)
