Results of monitoring of natural and anthropogenic agro ecosystems transformation in the Voronezh Region for the period of agricultural environmental management

Full Text

Введение

Земельные ресурсы Воронежской области сформировались в лесостепной и степной зоне, на стыке Средне-Русской, Калачской возвышенности и Окско-Донской низменности. Область имеет высокие агроклиматический потенциал, но вместе с тем и природные предпосылки для деградации земель, которые обостряются в процессе сельскохозяйственного землепользования. В пределах области более 80% земель занимают земли сельскохозяйственного назначения, при этом на большей части территории преобладают пашни. В этой связи возрастает необходимость в изучении процессов деградации земель для создания условий оптимизированной природной сельскохозяйственной системы. Теоретическая основа исследования опиралась на научные труды В.В. Докучаева, Г.В. Добровольского, Ф.Н. Милькова, Б.П. Ахтырцева, М.Г. Адерихина, Л.Т. Щербакова, Ф.Н. Лесецкого. Интенсивное сельскохозяйственное природопользование Воронежской области оказывает негативное воздействие на природную среду. Земельные ресурсы Черноземья активно используются длительный период. Черноземы Европейской части России имеют уникальные физико-химические свойства, и поэтому изучение их структуры и динамики свойств может служить индикатором процессов взаимодействия человека и природы.

Целью исследования является выявление особенностей сельскохозяйственного природопользования и его влияния на качество земельных ресурсов.

Объектом исследования являются земельные ресурсы Воронежской области.

Материалы и методика исследования

В основу положена статистическая информация служб контроля ГУПР по Воронежской области, государственных центров агрохимической службы, станций защиты растений, ЦЧО НИИГипрозем, Росприроднадзора, Роспотребнадзора, ежегодных докладов о состоянии окружающей среды Воронежской области с 1965 по 2019 гг., а также данные исследований ведущих ученых-почвоведов с конца XIX века до современного периода.

Результаты исследований и их обсуждение

Воронежская область обладает высоким потенциалом плодородия почв, при этом почвенный покров в основном представлен черноземами, которые занимают более 80% территории. Типы черноземов изменяются при движении с севера на юг: на севере характерны выщелоченные черноземы, занимающие 43%, переходящие в обыкновенные и южные, к интразональным почвам относятся пойменно-луговые, лугово-черноземные, карбонатные черноземы, супесчаные и солонцовые [1].

На территории области организован агроэкологический мониторинг за состоянием почв и каждые пять лет проводится их агрохимическое обследование. Первоначальные данные обследования датируются с 1965 года, в основном определяются содержание подвижного фосфора, обменного калия, гумуса и кислотности [2].

В 2015 г. был проведен девятый тур обследования, а с 2016 г. начался десятый тур. Материалы по агрохимическим обследованиям с конца XX века до начала ХХI века выявили снижение плодородия почв по фосфору и калию. Средневзвешенное содержание форм фосфора снизилось с 104 до 89 мг/кг, в среднем на 14,4%. В некоторых районах области, таких как Верхнехавский, Россошанский, Грибановский, составляет 22–26 мг/кг почв. Недостаточное использование удобрений привело к еще большему его снижению, особенно в Верхнемамонском, Павловском, Рамонском районах [3].

На основе данных обследования было определено, что по сравнению с 1970 годом произошло увеличение подвижных форм фосфора на 34%. Подвижные формы фосфора доступны для растений в виде фосфата кальция и магния. Процесс обогащения верхнего слоя почвы формируется во взаимосвязи с жизнедеятельностью растений, так как они поглощают соединения фосфорной кислоты из почвы и фосфорные соединения образуются корневой массой в верхней части почвы. Содержание калия в почве выше, чем фосфора, его формы в почве находятся в малорастворимом и почти неусвояемом виде.

Калий в жизнедеятельности растений выполняет функцию гидратации коллоидов в цитоплазме и удерживает воду в организме растений. Поэтому большое значение имеет в период засух. В глинистых и суглинистых почвах соединения калия больше по сравнению с песчаными и супесчаными, при этом внесение органоминеральных удобрений увеличивает величины и формы обменного калия [4].

Гумус считается одним из основных показателей плодородия почв, процесс гумусообразования связан с почвообразованием. Высокое содержание гумуса до 7,0% характерно для северных районов области, в особенности в Панинском, Верхнехавском, Эртильском [5].

На протяжении всех циклов обследования значительных изменений в динамике органического вещества не выявлено. В гумусе содержится азот и фосфор, при разложении гумуса выделяется углекислый газ, который образуются в почвенном слое и является источником углекислого питания. Гумус считается регулятором питания растений, особенно при погодных катаклизмах. Саморегулирующий потенциал чернозема позволяет регулировать содержание органики, и отмечено, что в течение сорока лет его содержание держится на уровне 5,53 в целом, но в некоторых районах наблюдается снижение содержание гумуса. По данным ЦЧО НИИГипрозем, выявлено более 350 тыс. га земель с низким содержанием гумуса. От величины гумуса зависит урожайность сельскохозяйственных культур. На почвах с высоким содержанием гумуса не образуется избыточных концентраций солей и эффективность использования удобрений возрастает в два раза.

Содержание гумуса 5,53% остается на уровне 1965 года в некоторых районах области. Это связано с особенностями использования севооборотов и увеличения количества органических удобрений в виде соломы и сидеральных культур. В последние годы в среднем за год вносится органические удобрения в объеме около 3,1 т/га, а минеральных 71,6 кг/га, которые включаются в биохимический круговорот. Физико-химические процессы зависят от реакции почв; так, кислые почвы характеризуются низким плодородием, их pH имеет значение 5,5, и они нуждаются в известковании [6]. Растения хорошо развиваются на нейтральных почвах, но в области выявлено более 640 тыс. га кислых почв, отмечено возрастание величин сильно кислых, их площадь достигает более 130 тыс. га. Кислая реакция почвенной среды влияет на снижение уровня гумификации за счет негативного влияния на деятельность бактерий, являющихся активным звеном биохимического круговорота [7]. В этой связи использование минеральных удобрений на кислых почвах малоэффективна.

Для известкования почв в области имеются собственные ресурсы. Известковые удобрения получают в местных условиях, используют меловые породы, дефикат сахарных заводов и известковую и доломитовую муку. Санитарно-гигиенический мониторинг за состоянием почв был проведен на основе 5,5 тыс. проб. В основном преобладают санитарно-химическое, микробиологическое и паразитологическое загрязнение почв.

По данным Федеральной государственной территориальной службы защиты растений, на территории области применяется более 100 различных пестицидов, которыми обрабатывается более 900 тыс. га земель. При этом инсектициды используются на площади более 400 га, фунгицидами обрабатываются более 30 тыс. га, гербициды используются на площади 370 тыс. га, десиканты применялись на территории более 5 тыс. га, биопрепараты были внесены на площадь 35 тыс. га. Обработка проводится как наземными способами, так и с применением авиации. В среднем используется 160 т инсектицидов, 14 т фунгицидов, более 360 т гербицидов, 9,5 т десикантов и 35 т биопрепаратов [8]. Следует отметить, что пестицидная нагрузка на агроэкосистемы колеблется в пределах 2 кг/га до 0,2 кг/га.

Длительный статистический ряд наблюдений позволяет определить экологическое состояние почв территории области. Выявлено активное протекание негативных процессов как под влиянием сельскохозяйственного природопользования, так и под воздействием природных факторов. Свойства почв ухудшают эрозионные процессы, подкисление, дегумофикация, засоление, подтопление [9]. Процессы подтопления связаны с подъемом уровня грунтовых вод, который в значительной степени обусловлен масштабным строительством прудов и водохранилищ. К негативным природным процессам можно отнести засухи и суховеи. Повторяемость майских и июньских засух составляет один раз за 4–5 лет. В период засух уменьшается количество осадков, гидротермический коэффициент достигает 0,5, что приводит к гибели сельскохозяйственных культур [10]. Для Воронежской области характерно низкая обводненность, которая достигает 0,12 км рек на км², степень овражности равна 1,8 км/км² и не превышает 12%. Начало XXI века отмечено нарастанием аридности климата. Эрозия почв наносит значительный ущерб агроэкосистемам. По данным ЦЧО НИИГипрозем ВГУ, пахотные земли, имеющие уклон более 1% на площади 1,5 млн га, смываются почти 10,3 млн т почвы, то есть почти 7 т с каждого гектара. На территории области водной эрозии подвержено более 950 тыс. га, ветровой эрозии около 145 тыс. га, то есть более 52% территории подвержены эрозионным процессам [11].

Было установлено, что интенсивная эксплуатация земельных ресурсов приводит к уменьшению запасов органического вещества, утрате структуры почв, ухудшению водно-воздушного режима. В 60–70-е годы ХХ века М.Г. Адерихин доказал [12; 13], что трехсотлетнее антропогенное воздействие отразилось на черноземах увеличением содержания подвижных форм P и K, уменьшением содержания гумуса на 3%, обеднением азотом на 0,13%. Воронежские почвоведы доказали, что интенсивная утрата гумуса достигла 0,8–1%, при этом отмечено, что за восьмидесятилетний период использования почв содержание гумуса уменьшилось на 2%. Длительное антропогенное использование приводит к процессу обеднению почв азотом, калием, кальцием, магнием и нарушением их свойства.

А.П. Щербаков в 80-е годы ХХ века сопоставлял данные своих исследований с результатами Докучаевкой экспедиции и выявил, что общее общие потери гумуса составляет 30% [14; 15]. Б.П. Ахтырцев, В.Д. Саловейченко определили, что интенсивная распашка агроэкосистем с посевами зерновых культур в пределах Воронежской области в пахотном горизонте потери достигают 13,75 т/га в год [16].

Для Воронежской области характерны интенсивные эрозионные процессы, которые также негативно влияют на почвенное плодородие. Слой стока с зяби составляет 34 мм, и с ливневыми атмосферными осадками вымывается 7 кг/га питательных веществ, при этом около 80% вымываются аммиачный и нитратный азот, 20% калия и около 8% минерального фосфора. Наблюдения за агроэкосистемами выявили, что в среднем за год вымывается 10–20% азотных, 10–15% калийных и до 2% фосфорных удобрений. В этой связи атмосферные осадки следует учитывать при вносе минеральных удобрений [17].

За длительный период природопользования изменилась структура сельскохозяйственного природопользования, начиная с конца XVII века площадь распаханности угодий увеличилась с 17,7% до 64%, при этом сенокосные угодья уменьшились с 32% до 14%. В конце XIX – начале XX века в структуре земельных угодий пашни занимают 85%, сенокосы 5,3%, 2,8% отведено под селитебные участки и 1,7% – неудобья [18].

На современном этапе сельскохозяйственного природопользования распаханность территории в среднем достигает 60–70%, при этом увеличилось количество брошенных земель. По мнению большинства воронежских почвоведов баланс питательных веществ в почвах по основным химическим компонентам отрицательный. В значительной степени на балансовые геохимические процессы влияет уменьшение вноса минеральных и органических удобрений. По экспериментальным и расчетным данным доказано, что внос удобрений составляет по азоту и калию на 50%, а по фосфору на 70% [19].

Расчеты перспективных балансов показали, что для получения высоких урожаев следует вносить до 1 млн т минеральных удобрений и 50 млн т органических удобрений в год. Б.П. Ахтырцев еще в 80-е годы ХХ века доказал, что для создания бездефицитного баланса гумуса необходимо вносить в почву 7–10 т/га навоза вместо 2–3 т/га, которые вносились на тот период природопользования [12]. На основе анализа динамики использования земельных ресурсов доказано, что в почвах Воронежской области наблюдаются изменения естественного геохимического фона.

Следует отметить, что наряду с потерей питательных веществ для земельных ресурсов характерно загрязнение почв пестицидами, ДДТ и другими ингредиентами. В 1980-е годы в год в среднем использовалось 77209 т пестицидов, при этом уровень их содержания в почвах пропашных культур превышает ПДК в 1,5 раза. Высокие показатели содержания пестицидов выявлены на посевах многолетних трав.

Изучение изменения свойств почв выявляет накопление канцерогенных ингредиентов, приводящих к ухудшению экологического состояния почв. Сельское хозяйство влияет на структуру природных экосистем. По данным Л.П. Семенова, в XIV веке леса, в пределах Воронежской губернии, составляли около 40%. За период освоения территории значительна потеря органики. Большую часть территории, около 60%, занимают луговые степи. В естественных биогеоценозах, по данным исследования А.А. Титляновой, Н.А. Тихомировой, Н.Г. Шатохина, поступление растительных остатков в почву почти равна величине первичной продукции, при этом поступление растительных остатков в лесных геосистемах достигает 800–1200 г/м², в травяных – 2000 г/м², а в агроэкосистемах не превышает 480 г/м² [18]. В связи с интенсивной сельскохозяйственной освоенностью территории потери органического вещества составляют 1000 г/м². В результате длительного антропогенного использования природных экосистем произошло нарушение качественных и количественных показателей природно-геохимического фона Воронежской области [20].

Выводы

Результаты изучения процессов деградации земельных ресурсов Воронежской области дают возможность сделать следующие выводы и предложения:

– Трехсотлетний период природопользования проявился в процессах деградации земель.

– Необходима комплексная оценка земельных ресурсов Воронежской области на основе балансово-геохимических моделей с использованием ГИС-технологий.

– Более 5% земель от всей площади характеризуются низким содержанием гумуса, около 700 тыс. га имеют кислый состав почв и более 300 тыс. га солонцовых почв. Степень эродированности по области колеблется от 10% на севере до 50% на юге.

– Для изучения конкретных видов деградации почв важно разработать основные диагностические индикаторные показатели с учетом природных и техногенных факторов.

Заключение

В заключение следует отметить, что среди интегральных показателей важно рассчитать скорость, интенсивность процессов деградации для обоснования экологически сбалансированного землепользования и землеустройства территории области. Необходимо создание единого аналитического центра, что повысит научность и достоверность результатов. Наиболее слабыми звеньями агроэкологического мониторинга является прогноз изменения состояния агроэкосистем и разработка рекомендаций по внедрению экологически безопасных способов природопользования.

About the authors

Falak Almobarak

Email: falak88.2019@gmail.com

postgraduate student of Geography and Tourism Department

Lydia Aleksandrovna Mezhova

Author for correspondence.
Email: lidiya09mezhova@yandex.ru

candidate of geographical sciences, associate professor of Geography and Tourism Department

References

Supplementary files