Влияние осушительной мелиорации на экологическое состояние дерново-подзолистых минеральных земель

Почвы, хорошо обеспеченные фосфорной кислотой, чаще всего отличаются хорошим структурным состоянием, а также высокой биологической активностью, так как фосфорная кислота одновременно оказывает положительное действие и на жизнь бактерий в почве.

Для многих микробов, а также свободноживущих азотфиксаторов характерно высокое содержание в их организмах . Но в основном фосфорные удобрения стимулируют развитие клубеньковых бактерий, живущих симбиотически на корнях бобовых растений.

Калий важен для оптимального роста растений, получения высоких урожаев, а также для поддержания плодородия почв. Аналогично фосфору содержание калия не в виде элементарного калия, а в виде оксида       [23, c. 177].

Содержание калия (в разных почвах колеблется от 0,5 до 3%. Оно зависит от типа образования почв, минералогического и гранулометрического составов и степени выветривания минералов. Больше содержится калия в глинистой фракции почвы. Поэтому тяжелые глинистые и суглинистые почвы богаче калием, чем песчаные и супесчаные. Очень бедны калием торфянистые почвы (0,03-0,05%). В большинстве суглинистых почв калия содержится 2 - 2,5% (таблица 2).

Таблица 2

Содержание подвижных форм калия в дерново-подзолистых минеральных почвах Беларуси [16, c. 137, таблица 2]

По степени подвижности и доступности растениям выделяют следующие формы калия [11, c. 167]:

• калий минерального скелета – основная часть калия почвы, входящая в состав почвообразующих калийсодержащих первичных и вторичных минералов, в основном недоступен для растений;
• калий необменный – часть калия почвы, находящаяся в структуре слюдоподобных минералов и органо-минеральных смектитовых комплексов, участвующая в формировании равновесной системы, частично доступная для растений;
• калий обменный – часть калия почвы, расположенная на поверхности органо-минеральных коллоидов и на специфических позициях вторичных минералов, практически доступная для растений;
• калий почвенного раствора – часть калия почвы, находящаяся в водорастворимой форме, в наибольшей степени подверженная внешнему воздействию, не посредственный источник питания растений.

Количество усвояемого растениями калия зависит от гранулометрического состава почв, доли калия в почвенном поглощающем комплексе, емкости катионного обмена, влажности почв и др. [13, c. 114].

При поступлении калия в почву происходит обменное и частично необменное поглощение. При необменном поглощении калий не вытесняется нейтральными солями. Такое необменное поглощение часто называют фиксацией калия почвой. Фиксация калия связана с наличием в почве коллоидных минералов. Калий проникает в кристаллическую решетку этих минералов, куда могут проникать и другие катионы. Однако степень их фиксации определяется ионным радиусом реагирующих катионов: катионы с наибольшим ионным радиусом фиксируются быстрее. Все катионы по этому признаку можно объединить в две большие группы [11, c. 167]:

• хорошо фиксируемые - (с ионным диаметром 2,66…3,38);
• слабофиксируемые - (с ионным диаметром 1,20…1,98).

Попеременное увлажнение и высушивание почвы способствует фиксации калия. В почве между фиксированным, обменным и водорастворимым калием существует определенное подвижное равновесие. В условиях сильного увлажнения калий фиксируется преимущественно иллитом и почти не фиксируется монтмориллонитом. Но при высушивании почвы калий фиксируют оба эти минерала. Энергия фиксации калия иллитом возрастает с увеличением pH. Для монтмориллонита при доведении реакции почвы от кислой до pH 6,6 способность фиксации уменьшается, а дольше остается постоянной.

Миграция калия по профилю почв зависит от емкости катионного обмена, доз удобрений и кислотности почвы. Она существенно возрастает в легких почвах. При длительном систематическом применении калийных удобрений в условиях многолетних полевых опытов (Прокошев, 1984) при ежегодном внесении в дозе 60…90 кг/га на трех наиболее типичных дерново-подзолистых почвах разного гранулометрического состава заметная миграция калия удобрений до глубины 100 см наблюдалась только на легких почвах. На тяжелых суглинках при данном уровне содержания обменного калия миграция калия удобрений глубже 40 см была незначительной, а на средних – наблюдалась до глубины 60 см.

В режиме калия заметную роль играют биологические механизмы, в частности, некоторые виды микроорганизмов способны разлагать силикаты и переводить содержащийся в них калий в усвояемые для растений формы. В тоже время микроорганизмы, как и высшие растения, поглощая усвояемый калий, накапливают его в своих клетках. Этот фиксированный живыми организмами калий пополняет запасы усвояемого калия лишь после отмирания микроорганизмов и растений. В процессе извлечения калия из минералов в определенной степени участвуют растения, хотя в основном они используют водорастворимы и обменный калий [11, c. 168].

Биологическая активность и плодородие почвы при использовании калийных удобрений повышаются не очень сильно, но довольно заметно, особенно если калийные удобрения вносят одновременно с навозом и в почве достаточно кальция и фосфора. Поскольку навоз подщелачивает почву, повышается поглощение почвенного калия. Наряду с этим усиливается поглощение растениями фосфора, магния, азота [23, c. 180].

3. Нитратный азот в дерново-подзолистых почвах

Общие запасы азота в земной коре составляют десятки миллиардов тонн. В основном он присутствует в виде органических соединений. В почвах в среднем содержится общего азота, %: в супесчаной 0,05-0,07; в суглинистой 0,1-0,2; в торфянистой 0,6-1 [16, c. 138].

Азот в почве представлен органической и неорганической формами. Органический азот – продукт разложения микроорганизмами растительных и животных остатков. Включает активную фазу, которая представлена микробной биомассой и пассивную фазу, не участвующую во внутрипочвенном азотном цикле. Это преимущественно органическое вещество, устойчивое к микробному разложению. Неорганический азот представлен в почве нитратной, нитритной и аммиачной формами, которые еще называют подвижными формами азота. Количество его составляет около 2% от всего азота почвы [7, c. 375].

Основные источники нитратов (а значит и азота) в ненарушенных и агроландшафтах – это органическое вещество почвы, минерализация которого обеспечивает постоянное образование нитратов. Скорость минерализации органического вещества зависит от его состава, совокупности экологических факторов, степени и характера землепользования. Поэтому динамика нитратов в земных экосистемах определенным образом связана с малым биологическим круговоротом азота.

Большое значение имеет скорость минерализации азота. Разложение органических азотистых веществ в почве происходит следующим образом: белки, гуминовые вещества, аминокислоты, амиды, аммиак, нитриты, нитраты. В результате процесса нитрификации образуются органические кислоты, спирты, угольная кислота и аммиак. Органические кислоты и спирты разлагаются до , метана. Аммиак с кислотами образует соли, аммоний поглощается почвенными коллоидами и глинистыми минералами. Процесс аммонификации идет в аэробных и анаэробных условиях, но в анаэробных условиях при сильнокислой и сильнощелочной реакциях среды он замедляется.

В аэробных условиях соли аммония окисляются до нитратов, образуется азотная кислота, которая нейтрализуется бикарбонатом кальция и поглощенными основаниями почвы. При влажности почвы 60-70%, температуре +25-32˚С и pH 6,2-8,2 нитрификация идет интенсивно. Содержание нитратов (2-20 мг/кг почвы) зависит от использования почвы. Под паром и какой-либо культурой содержание нитратов различно. В дерново-подзолистой почве при кислой реакции, избыточной влажности, плохой аэрации и низкой температуре процесс минерализации останавливается на стадии образования аммиака. Нитрификация подавляется осенью и ранней весной, а летом этот процесс протекает интенсивно. Улучшение аэрации в результате обработки почвы, а также известкование усиливают нитрификацию. Внесение минеральных и органических удобрений обогащает почву элементами питания, усиливая минерализацию [10, c. 151].

Фиксацию азота из воздуха осуществляют, как было показано ранее, две группы микроорганизмов: свободноживущие, использующие в качестве источника энергии органическое вещество почвы и симбиотические (клубеньковые), использующие энергию фотосинтеза растений, на корнях которых они поселяются.

Большие потери азота происходят в результате денитрификации, особенно в анаэробных условиях, щелочной среде и при большом количестве органического вещества. Внутри агрегатов почвы тоже могут создаваться анаэробные условия. Бактерии-денитрификаторы наиболее быстро окисляют органическое вещество при температуре +28-30˚С и pH 7,0-7,5.

Часть азота почвы и внесенных удобрений теряется в виде аммиака. Происходит это при внесении аммонийных солей в карбонатные почвы или мочевины поверхностно. При внесении аммиака обязательна глубокая заделка удобрений. Известкование усиливает потери аммиака из мочевины и солей аммония. Для снижения потерь азота применяют ингибиторы нитрификации (препараты, замедляющие процесс нитрификации, а вслед за ним и денитрификации), что дает возможность растениям полностью использовать азотные удобрения. Весьма эффективно применение медленнодействующих удобрений: мочевино-формальдегидных, магнийаммонийфосфата и др. Для сведения к минимуму  потерь азота необходим высокий уровень агротехники, применение высокопродуктивных сортов сельскохозяйственных культур, оптимальное соотношение элементов питания в почве, устранение избыточной кислотности.

Как уже упоминалось, азот в атмосфере инертен и входит в жизненный цикл благодаря фиксации микроорганизмами и переводу в белки. Существуют и другие пути фиксации. Дождевая вода также содержит некоторое количество нитратов, которые образуются в атмосфере при электрических разрядах. Эта дождевая вода также содержит и окислы азота от  автомобильных газов, которые вносят существенный вклад в такие проявления, как кислотные дожди. В почве приблизительно 2000-8000 кг азота/га. Небольшая часть переходит в доступную форму (51-100 кг/га) в виде нитратов и аммиака. В течение года растения поглощают 1-2,5% от общего содержания азота в гумусе [24, c. 98].

На основании вышесказанного можно выделить основные приемы регулирования азотного режима [23, c. 174]:

• увеличение органической части в твердой фазе почвы путем внесения органических удобрений (навоз, торф), широкое использование растительных остатков (стерня, солома и др.), возделывание сидеральных культур, совершенствование севооборота;
• увеличение содержания в почве подвижных форм азота, используемых растениями, путем внесения минеральных удобрений;
• создание условий для фиксации атмосферного азота;
• повышение эффективности использования азота почвы путем регулирования реакции почвенного раствора; уменьшение темпов минерализации органического вещества почвы за счет снижения интенсивности обработки почвы;
• использование кальцийсодержащих соединений;
• совершенствование способов внесения азотных удобрений;
• совершенствование структуры посевных площадей и чередовании культур в севооборотах;
• улучшение агрофизических свойств почвы и повышение общей культуры земледелия.

4. Водно-физические свойства дерново-подзолистых почв

Почва как многофазная полидисперсная система способная поглощать и удерживать воду. В ней всегда находится определенное количество влаги. Вода поступает в почву главным образом в виде атмосферных осадков, реже в виде грунтовых вод и при конденсации водяных паров из атмосферы         [5, c. 240].

Почвенная вода является жизненной основой растений, почвенной фауны и микрофлоры, получающих воду главным образом из почвы. От содержания воды в почве зависят интенсивность протекающих в ней биологических, химических и физико-химических процессов, передвижение веществ и формирование почвенного профиля, водно-воздушный, питательный и тепловой режимы, ее физико-механические свойства, то есть, важнейшие показатели почвенного плодородия [22, c. 75].

К основным водным свойствам почвы относят ее водопроницаемость, водоудерживающую и водоподъемную способности [6, c. 143].

Водопроницаемость. Способность почвы впитывать и пропускать через себя воду называется водопроницаемостью. Ее можно разделить на две стадии. Первая стадия называется впитыванием. Она проявляется в более сухих почвах, когда свободные от влаги поры начинают заполняться водой. Вторая стадия – фильтрация. Она, как правило, проявляется во время обильных осадков. В это время в почве, которая уже полностью насыщена водой, влага начинает передвигаться под влиянием силы тяжести и градиента напора.

Интенсивность водопроницаемости почвы зависит от размера и количества пор. Легкие песчаные и супесчаные почвы, имеющие большое количество крупных пор, всегда отличаются высокой водопроницаемостью. Даже после выпадения большого количества атмосферных осадков вода на поверхности таких почв практически не задерживается и очень быстро уходит в нижние горизонты.

Для оценки водопроницаемости почв можно воспользоваться данными таблицы 3, которые были предложены Н.А. Качинским в 1970г.                      [6, c. 144, таблица 9.1]

Таблица 3

Оценка водопроницаемости почв