Арефьев А. Н., Кузин Е. Н., Кузина Е. Е.
Изменение плодородия почв
ВВЕДЕНИЕ
Успешное развитие сельскохозяйственного производства предъявляет определенные требования к повышению потенциального и эффективного плодородия почвы, а также получению высоких, устойчивых урожаев полевых и кормовых культур.
Почва, как естественная саморегулирующаяся система биосферы, не справляется с современной антропогенной и технологической нагрузкой. В результате почти полного прекращения работ по сохранению и повышению плодородия земель во всех регионах России идет быстрое нарастание процессов деградации почв, резкое снижение их плодородия. По этой и другим причинам за последние годы уже выведены из сельскохозяйственного оборота десятки миллионов гектаров земли.
Вследствие недостаточного внесения химических мелиорантов и удобрений, а также интенсивной механической обработки происходит утрата агрономически ценной структуры. Степень выпаханности черноземных почв колеблется в интервале от 23,1 до 70,7 %. Старопахотные черноземы за период их использования утратили 21,7–59,2 % водопрочных агрегатов. Как следствие вышеперечисленных факторов, в черноземных почвах отмечено увеличение равновесной плотности. Переуплотнение почвы ведет, в свою очередь, к снижению величины общей пористости, пористости аэрации, влагоемкости и водопроницаемости.
Практическое земледелие нуждается в разработках по адаптивному регулированию плодородия почв на основе применения рациональных систем удобрения и средств мелиорации, с учетом направленности и темпов изменения агрохимических свойств черноземов, происходящих под антропогенным воздействием в конкретных почвенно-климатических условиях.
В связи с этим возникла необходимость обоснования теоретических положений и практических подходов к рациональной разработке приемов повышения и использования плодородия почв, увеличения продуктивности земледелия в новых условиях многоукладного землепользования.
Использование искусственных структурообразующих полимеров, особенно в сочетании с удобрениями, снижает вредное антропогенное воздействие на почву, сохраняет ее плодородие и повышает продуктивность сельскохозяйственных культур.
1 ПОЛИМЕРНАЯ МЕЛИОРАЦИЯ ПОЧВ
1.1 Изменение плодородия почв и продуктивности сельскохозяйственных культур под влиянием полимерной мелиорации
Дальнейшая интенсификация земледелия ставит перед сельским хозяйством новые задачи, связанные с необходимостью повышения потенциального и эффективного плодородия почвы.
В этой связи основной задачей становится развитие фундаментальных исследований по вопросам количественного учета компонентов почвенного плодородия, установление оптимальных параметров их гидротермических, физических, физико-химических и биологических свойств в разных почвенно-климатических зонах, позволяющих реализовать возможности высокопродуктивных сельскохозяйственных культур интенсивного типа.
Важнейшей задачей становится глубокое познание негативных процессов, развивающихся в почвах при интенсификации их использования, существенно ограничивающих продуктивность сельскохозяйственной культуры.
В связи с требованием совершенствования зональных, региональных и локальных почвозащитных систем земледелия возникает необходимость изучать генезис и географию проявления таких явлений как эрозия, дегумификация, переуплотнение, декальцификация, обесструктуривание, усиление вторичного засоления, несбалансированность агрономически значимых химических и физических свойств, потеря биогенности и другие виды деградации почв. Разработка и внедрение в практику сельского хозяйства комплекса мер по снижению негативных качеств почв будут способствовать решению одной из важнейших проблем – росту продуктивности земледелия.
Направление по оптимизации физических свойств почв полимерными материалами зародилось в конце XIX начале XX веков в опытных работах российских и зарубежных почвоведов, изучавших воздействие органических коллоидов на минеральные компоненты почв и грунтов. В экспериментах А.А. Фадеева и В.Р. Вильямса (1902) аммиачная гумусовая вытяжка из чернозема была применена для агрегирования смеси кварцевого «воробьевского» песка и «гжельской» глины. Сходные опыты проводил Н.И. Саввинов (1936), используя с этой целью щелочную вытяжку из торфа (Н.Л. Качинский, 1963). В 30-40х годах прошлого столетия обширные исследования в области искусственного оструктуривания почв были предприняты в нашей стране в Агрофизическом институте под руководством академика А.Ф. Иоффе и ведущих специалистов – П.В. Вершинина, Ф.Е. Колясева и других. Синхронно аналогичные работы проводились в США, Германии и Великобритании на Ротамстедской опытной станции. В качестве препаратов-структоров использовались гумусовые вытяжки из черноземов, битумы, торфяной клей, смоляной клей, силикат натрия, лигносульфонаты, кремнийогранические соединения, стеариновые и альгиновые кислоты (П.В. Вершинин, 1958; Н.А. Качинский, 1963). Однако для получения эффективных результатов требовалось вносить значительные дозы этих препаратов (1 % и более от массы почвы), что на фоне небольших и неустойчивых прибавок урожая и кратковременности действия не позволило использовать их в сельском хозяйстве (Г.Л. Масленкова, 1966; А.С. Баштурова, 1984; В.В. Блисковский, Д.А. Минеев, 1986; А.М. Артюшин, 1991; П.И. Гречин, 1993).
Отказ от использования этих, да и многих других почвенных кондиционеров низкой продуктивностью растений не всегда оправдана. Помимо повышения урожайности, в задачу устойчивого земледелия входит поддержка структуры и плодородия почвы на заданном уровне, на что также необходимо затрачивать немало сил и средств, преследуя не сомнительную выгоду, а заботу о состоянии почвы. В последующем исследователи неоднократно возвращались к вопросам использования природных органических полимеров, их химических модификаций, а также отходов нефтепереработки и целлюлознобумажной промышленности, например, при закреплении песков битумными, асфальтовыми и латексно-масляными эмульсиями, смоляными адгезивами, нефтепродуктами (И.Б. Ревут, 1972). Множество органических веществ оказалось пригодным для мульчирования поверхности почв с целью оптимизации ее теплового и водновоздушного режимов. С вовлечением в сельское хозяйство органогенных торфяных почв в передовых европейских странах стали использовать альтернативные технологии в виде мульчирования минеральными материалами – пескования, покровной, римпауновской культуры и других комбинаций торфа с песком, направленных на сохранение плодородия осушенных земель (Зайдельман и др., 2005).
Современные успехи в области полимеров позволяют открыть новый путь улучшения агрофизических свойств почв, накопления и рационального использования влаги при формировании урожая сельскохозяйственных культур.
Полимеры по сравнению с минеральными и органическими удобрениями являются экологически чистыми веществами.
Наибольшее применение в оструктуривании почвы нашли линейные коллоиды. Известными среди них являются: фердикунг AN (ГДР), солакрол (ВНР), полимеры серии К – гидролизованный полиакрилнитрил (К-4), очень близкие по химическому строению полиакриламиды (ПАА), – например, помид (СССР), сепаран (США), седипур (ФРГ), сополимер метакриловой кислоты и метакриламида (Со-8, СССР), VAMA (США), который представляет собой смешанную натриевую и кальциевую соли сополимеризата из винилацетата и метилового эфира малеиновой кислоты. Г.Л. Масленковой (1961); Н.А. Качинским и А.И. Мосоловой (1967); С.М. Эпштейном (1976); В.Г. Витязевым (1979); А.Д. Ворониным (1986,1990) показан принцип действия полимерных линейных структурообразователей.
При применении полиэлектролитов рыхлая комковатая структура почвы, образующаяся в результате механической обработки, остается стабильной в течение длительного времени по отношению к воздействиям температуры, атмосферных осадков и механическим нагрузкам. Созданное таким образом устойчивое оптимальное структурное состояние почвы и, следовательно, улучшение ее водного, воздушного и теплового режимов благоприятно сказываются на формировании урожая.
Испытания полимеров, проведенные в СССР, США, Англии, Бельгии, Германии, Индии, Египте и ряде других стран выявили достаточно высокую их эффективность при малых дозах внесения в почву (W.W. Emerson, 1956; R.M. Holmes, S.J. Toth, 1957; П.В. Вершинин, 1958; Л.Н. Абросимова, 1960; И.А. Романов, 1960; Г.Л. Масленкова, 1961; В.Б. Гуссак, 1961; Н.А. Качинский, 1962; А.И. Мосолова, 1964, 1970; Н.А. Качинский и др., 1967; К.С. Паганяс, 1972; И.Б. Ревут и др., 1973; De Boodt М, 1974; С.А. Вахба, 1980, 1981; Е.В. Куценко, 1981; А. Кульман, 1982;). Так, обработка суглинистой дерновоподзолистой почвы дозой метакрилата натрия всего 0,05 % от массы почвы практически втрое (с 24 до 67 %) увеличила содержание водопрочных агрегатов (П.В. Вершинин, 1958). Использование ПАА в такой же дозе в глинистой дерново-подзолистой почве дало прирост водопрочных агрегатов на 25 % (И.А. Романов, 1960).
Действие полимеров на агрегирование глинистых минералов зависит от многих факторов. Особенно сильное влияние на степень агрегирующего действия полимеров оказывает их дозировка (Н.А. Качинский, 1967; А. Кульман,1982). Так, Н.А. Качинским и А.И. Мосоловой (1967) в результате электронного микроскопирования было установлено, что полимеры даже при малых концентрациях образуют физико-химические связи между почвенными частицами. При высоких дозах полимеров избыток их не взаимодействует с поверхностью почвенных частиц, а заполняет свободные поры почвы. В этом случае водопрочность агрегатов не усиливается, а ослабляется.
М.В. Филипповой (1987) установлено, что применение полиакриламида (ПАА) и навоза на светло-каштановых и дерновоподзолистых почвах приводит к увеличению водоустойчивости макроструктуры. Увеличение водоустойчивости макроструктуры светлокаштановой почвы под действием ПАА тем больше, чем выше доза полимера.
Полиакриламид и навоз способствуют увеличению пористости, водопроницаемости, уменьшению плотности сложения исследованных почв. Под действием полиакриламида увеличивается водоудерживающая способность светло-каштановой почвы. Навоз оказывает влияние на водоудерживающую способность дерново-подзолистой почвы только в первый год после внесения (М.В. Филиппова, 1986, 1987, 1990).
По обобщенным данным, внесение полимерного структурообразователя повышает содержание водопрочных агрегатов в 1,8–2,0 раза по сравнению с исходной водопрочностью (Г.Л. Масленкова, 1966; А.И. Мосолова, 1970; Н.П. Качинский,1967). В опытах Л.И. Абросимовой (1960) на суглинистой дерново-под-золистой почве за вегетационный период плотность оструктуренной почвы к концу вегетационного периода не превышала 1,17-1,26 против 1,24-1,44 г/см
3
В опытах М.Г. Тарасовой (1982) количество водопрочных агрегатов при обработке почвы полиакриламидом увеличилось на 13 % по отношению к почве, обработанной водой. Применение полиакриламида способствовало повышению влажности почвы, особенно в засушливые периоды вегетации растений. На контроле влажность почвы в засушливый период доходила до 1,3 % в слое 0–10 см и 4,2 % в слое 10– 20 см. Внесение полиакриламида увеличило процент влажности почвы в слое 0–10 см до 3 % и в слое 10–20 см до 5,3 %.
В опытах В.И. Штатнова и Н.И.Щербаковой (1964) применение структурообразователя снижало испарение более, чем на 50 %, не изменяя максимальной гигроскопичности.
Максимальное количество водопрочных агрегатов было отмечено при использовании полиакриламидного полимера в дозе 0,1 % от массы почвы. Содержание водопрочных агрегатов на этом варианте по завершении третьего года исследований составило 68,3–69,7 %, на четвертый год – 71,3 %. Разница с контрольным вариантом составляла 15,7–16,5 %. (Е.Н. Кузин, 2002; Е.Н. Кузин, Т.А. Власова, А.Ю. Кузнецов, Г.Е. Гришин, 2004).
При использовании полимера в дозе 0,1 % от массы почвы равновесная плотность чернозема по годам исследований изменялась в интервале от 1,02 до 1,12 % г/см
3
3
3
Исследованиями П.А. Иванова, Е.Н. Кузина (2009); П.А. Иванова (2009) установлено, что наибольший эффект по восстановлению агрономически ценной структуры обеспечивало применение повышенных норм праестола в сочетании с биомелиорантами. Количество водопрочных агрегатов на этих вариантах возросло на 18,0–20,4 %, коэффициент структурности увеличился на 0,33–0,39.
В результате изменения структуры почвы под влиянием полимера, прежде всего, изменяется ее плотность. По данным Т.Х. Ишкаева (1967), на фоне без удобрений полиакриламидный сополимер способствовал уменьшению плотности почвы в горизонте 0–10 см с 1,36–1,43 г/см
3
3
3
3
Способность гидрогеля изменять плотность почвы была показана в работах ряда ученых (К.С. Казанский и др., 1988; Н. Benkenstein, 1987; R.A. Arram, 1983). Так, К.С.Казанским, Г.В. Раковой, Н.С. Ениколоповым и другими (1988) было доказано, что при внесении полимерного гидрогеля в повышенных дозах (около 0,25 % для полиакриламидного геля) плотность песка снижается с 1,6 до 1,15–1,06 г/см
3
Снижение плотности почвы при внесении гидрогеля создает дополнительную пористость и, тем самым, повышенную влагоемкость – до 41,7–43,5 %, против 23,8 % в контроле. К.С. Казанский и др.(1988), Н.С. Зюзь, А.А. Лазарев, К.С. Казанский и Г.В. Ракова (1990),испытывая различные полимерные гидрогели, показали, что их внесение способствует значительному увеличению влагоемкости кварцевого песка. Влагоемкость песка увеличивалась от 5–6 % до 20– 25 %, т. е. на 15–20 % от массы скелетной части.
Праестол, используемый нормами 20 и 30 кг/га в сочетании с биомелиорантами, оказал наиболее существенное влияние на изменение водно-физических свойств серой лесной почвы. Равновесная плотность на этих вариантах была ниже контроля в 2007 году на 0,16–0,18 г/см
3
3
3
Изучая внесение гидрогелей в почву, ряд исследователей (Б.Н. Нурыев и др., 1986; H. Benkenstein, 1987; Е.Н. Кузин, А.Ф. Блинохватов, 1999) считают, что применение гидрогелей на различных почвах способствует повышению влажности почвы.
По данным R.A. Arram (1983), внесение полимерного гидрогеля увеличивало запас доступной влаги песка в 2,4–8,0 раз, уменьшало потери воды на испарение. В исследованиях К.С. Казанского, Г.В. Раковой, Н.С. Ениколопова и других (1988), внесение гидрогеля полиакриламидного типа в дозах 0,002–0,040 % (100–2000 кг/га) в песок увеличивало его влажность от 1 до 20 %.
Работами R.А. Arram (1983, 1985), Е.Ю. Грудининой (1983), Филиппова М.В. (1986), М Salem, G.V. Guidi, R. Pini (1991) показана зависимость величины доступной (продуктивной) влаги от внесения полимерных гидрогелей. Запас продуктивной влаги песка от их внесения увеличивался в 2,4–8,0 раз. Однако внесение гидрогеля не только увеличивало влажность почвы, но и увеличивало коэффициент использования воды (К.С. Казанский и др., 1988; R.A. Arram 1985). Это позволило повысить устойчивость сельскохозяйственных растений к засухе при водном дефиците, улучшало их физиологическое состояние как при засухе, так и без нее (Артюшин, 1987, 1988; Казанский и др., 1988). Так, по данным Ю.А. Урманцева, Н.Л. Гудскова, Н.Д. Прониной, К.С. Казанского (1990), даже при воздействии засухи у растений томатов, выращенных на субстрате с добавлением гидрогеля, наблюдалась выраженная тенденция к усилению роста.