Возросшая в последние годы антропогенная нагрузка на пахотные почвы повлияла на их способность сохранять свои функции, что в долгосрочной перспективе приведет к деградации почвенного покрова [1]. Таким образом, сельское хозяйство РФ столкнулось с острой проблемой сохранения и повышения плодородия почв [2]. Поэтому рациональное использование почв является важнейшим составляющим сбалансированного развития агропромышленного комплекса страны [3].
С целью предотвращения разрушения почв в 1980-е гг. в нашей стране появляется зональная система земледелия, которая, однако, не учитывает полностью ландшафтные особенности регионов и не может обеспечить сохранение земель в процессе их сельскохозяйственного использования [4]. Принятая в 1992 г. стратегия устойчивого развития человечества и биосферы послужила толчком для экологизации в земледельческой науке и разработки концепции адаптивно-ландшафтного земледелия, впервые предложенной В.И. Кирюшиным [5].
Для почв Белгородской области характерна повышенная антропогенная нагрузка, так как земли сельскохозяйственного назначения занимают более 70 % территории. Также характерной чертой региона является то, что склоновый тип рельефа составляет 72 % от общей площади. Поэтому ландшафтное земледелие с контурно-мелиоративной системой организацией территории является актуальным направлением развития региона, и изучение свойств почв при осуществлении указанных мероприятий является актуальной задачей.
Это привело к актуализации вопросов оценки земель, их соответствия требованиям общества и принятию решений в области рационального природопользования [6], важную роль в которой играет оценка почв. В научной литературе для почв сельскохозяйственного использования предлагаются различные виды оценок, таких как агроэкологическая, экологическая, геоэкологическая, почвенно-экологическая.
В настоящее время существует множество публикаций по геоэкологической оценке почв, но они касаются преимущественно урбанизированных или промышленных территорий. Отличаются и методики данной оценки. Так, ряд авторов изучают содержание химических элементов, которые поступают в почву при применении средств химизации, от автотранспорта, проводят их сравнение с ПДК и ОДК и показателями местного фона, а также применяют суммарный показатель загрязнения (Zc) и коэффициент концентрации химического вещества (Кс) [7]. Существуют и методики, где ведущую роль играют степень сокращения мощности гумусового горизонта и его окраска [8].
Часто при геоэкологической оценке почвенного покрова определяют единый показатель на основе системы баллов. Существуют работы в виде «взвешенных баллов» или системы обычных баллов, количество которых может быть различным [9]. Следует отметить, что преобладающее количество методик требует большого объема полевых и лабораторных работ, а также сложного математического обеспечения.
Обращает внимание и отсутствие единого набора критериев, рекомендуемых в качестве индикаторов состояния почвенного покрова при осуществлении его оценки. Их минимальное число в исследуемых источниках составляло 7, максимальное – 19. Не совпадает и набор этих критериев: чаще всего это просто элементы-загрязнители, но встречаются и такие параметры, как гранулометрический состав, содержание элементов питания, гумус, кислотно-основные свойства и численность бактерий.
Цель исследования – разработать комплексную методику геоэкологической оценки обрабатываемых почв и осуществить деление исследуемой территории по степени деградации.
Материалы и методы исследования
Изучение почвенного покрова опытного участка осуществлялось с использованием таких полевых методов почвенных исследований, как профильно-генетический и морфологический. Также проводилось лабораторно-аналитическое определение физико-химических свойств отобранных образцов (содержание гумуса определялось по Тюрину, микроэлементов – с применением рентгенофлуоресцентного анализа на приборе СПЕКТРОСКАН МАКС, рН – потенциометрическим методом, фосфора и калия – по методу Чирикова, структурно-агрегатный состав – методом «сухого» просеивания Н.И. Саввинова, гранулометрический состав – с использованием метода пипетки). При анализе полученных данных, применялись вероятностно-статистические (математико-статистические, кластерный анализ в программе STATISTICA) методы и сравнительный анализ.
Результаты исследования и их обсуждение
Несмотря на активное внедрение в России ландшафтных систем земледелия, отмечается недостаточное количество стационарных полевых опытов, в пределах которых возможно проведение комплексной сравнительной характеристики зональной и почвозащитной систем земледелия. На территории Белгородской области расположен один из таких опытов – участок ФГНБУ «Белгородский НИИСХ», организованный в 1991 г. [10]. На данном участке и проводили изучение почвенного покрова. Изучаемая территория находится на южной окраине Среднерусской возвышенности в пределах Белгородского района и удалена на 7 км к северо-северо-западу от г. Белгорода, на 300 м – от села Ерик, на 1,8 км – от трассы «Крым» (Москва – Симферополь). Территориальные границы и структурное деление опытного участка представлены на рис. 1.
Территория стационарного полевого участка расположена в пределах денудационной равнины, основной почвообразующей породой которой являются лессовидные суглинки и глины, получившие распространение на большей части Среднерусской возвышенности. Исследуемый участок, как и преобладающая территория Белгородской области, входит в состав лесостепной почвенной зоны. На рис. 2 приведен фрагмент почвенной карты Белгородской области с указанием опытного участка. На исследуемой территории представлены два типа почв: серые лесные и черноземы.
На ключевом участке ФГНБУ «Белгородский НИИСХ» применяются две системы земледелия: обычная и ландшафтная. Территория, на которой используется почвозащитная система земледелия с контурно-мелиоративной организацией, разделена на две части: в верхней, на склоне, крутизна которого составляет 1–3°, введены пропашные севообороты (I эколого-технологическая группа пашни), в нижней – крутизной 3–5° – зернотравяной севооборот (II эколого-технологическая группа). Границами севооборотов выступают трехрядные лесные полосы, состоящие из тополя бальзамического и березы повислой без подлеска (шириной 8 м, высотой деревьев 12–15 м).
На опытном участке применялось несколько способов основной обработки почвы: отвальная с различной глубиной оборота пласта в зависимости от возделываемой культуры (под сахарную свеклу – до 30–32 см; кукурузу – 25–27 см; под горох, озимую пшеницу и ячмень – 20–22 см); безотвальная – представляющая собой распашку на глубину 20–32 см плугами типа «Параплау» и использование дисковой бороны БДТ-7 на глубину до 15 см.
Рис. 1. Расположение исследуемого участка и его территориальные границы
Рис. 2. Фрагмент почвенной карты Белгородской области (красным цветом выделены границы исследуемого участка)
Таким образом изучены следующие варианты опыта: плакор, зональная система земледелия на склоне 1–3° и склоне 3–5°, ландшафтная система земледелия на склоне 1–3° и на склоне 3–5°.
При проведении геоэкологической оценки почв исследуемого участка был разработан комплекс оценочных критериев, среди которых: содержание элементов питания (азот, фосфор, калий), рН, содержание гумуса, гранулометрический и структурно-агрегатный составы, водопрочность агрегатов, снижение мощности органогенного горизонта, кратность снижения гумуса, суммарный показатель загрязнения.
При ранжировании критериев использовалась балльная оценка, которая является распространенным методом, если необходимо учитывать большое число факторов [11]. Каждому параметру присваивается один из пяти рангов (1 ранг соответствует низкому уровню деградации, 5 ранг – высокому). В качестве примера в таблице приведено ранжирование такого параметра, как содержание агрономически ценных фракций (АЦФ).
По полученной сумме баллов по каждому участку вычисляем средний балл. Автором предложена следующая градация: 0–1 балл – недеградированные (соответствуют естественному плодородию); 1–2 балла – слабодеградированные; 2–3 балла – среднедеградированные; 3–4 балла – повышенный уровень деградации; 4–5 баллов – сильнодеградированные почвы.
Ранги показателей, используемые при оценке
|
Параметр |
Баллы |
Источник информации |
||||
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
||
|
Содержание АЦФ, % |
Отличное > 80 |
Хорошее 80–60 |
Удовлетворительное 60–40 |
Неудовлетворительное 40–20 |
Плохое 0–20 |
[12] |
Рис. 3. Дендрограмма распределения исследуемых участков по результатам геоэкологической оценки
Рис. 4. Средние значения показателей для каждого кластера
На рис. 3 представлены результаты кластерного анализа. Вся совокупность данных по результатам проведенной геоэкологической оценки на два кластера, один из которых имеет сложный состав. Установлено попарное объединение в кластеры почв зональной системы земледелия на склонах 1–3° и 3–5° (1 кластер), а также почв плакора и ландшафтной системы земледелия с контурно-мелиоративной организацией территории на склоне 3–5° (2б кластер). Участок с ландшафтной системой земледелия на склоне 1–3° выделился в отдельный кластер (2а).
Средние значения каждой группы показателей для выделенных кластеров представлены на рис. 4. Для кластера 1 характерны наиболее высокие баллы по всем используемым параметрам, кроме значений содержания микроэлементов-загрязнителей. Отличительной чертой кластера 2а от 2б являются более низкие баллы агрохимических критериев и данных физического состояния почв. Следует отметить, что суммарный показатель загрязнения на всех исследуемых участках изменялся в пределах от 4,5 до 7,4, что соответствует допустимому уровню (Zc <16). В связи с этим данный индикатор не оказывал существенного влияния на суммарный балл.
Таким образом показатель деградации на опытном участке изменялся в пределах от 1,67 балла (ландшафтная система земледелия на склоне 1–3°) до 2,50 баллов (зональная система земледелия), что соответствует слабо- и среднедеградированным почвам. В пределах одной системы земледелия наблюдается увеличение показателя деградации на склонах 3–5°, что связано с возрастанием эрозионных процессов.
Заключение
Разработанная балльная геоэкологическая оценка учитывает комплекс критериев (агрохимических, физического состояния почвы, снижение содержания гумуса, уровень загрязнения), позволяющих объективно оценивать степень деградации пахотных почв. Ее использование направлено на повышение качества почв сельскохозяйственных земель. Проведенная геоэкологическая оценка почвенного покрова исследуемого участка показала, что в пределах ландшафтной системы земледелия с контурно-мелиоративной организацией территории баллы деградации почв ниже, чем на зональной системе. Также влияние на качество почв оказывает крутизна склона.