«ЭФФЕКТИВНОСТЬ УДОБРЕНИЙ ПОД ЗЕРНОВЫЕ КУЛЬТУРЫ С УЧЕТОМ ГЕОМОРФОЛОГИИ АГРОЛАНДШАФТАИ УРОВНЯ СОДЕРЖАНИЯ ГУМУСА В ПОЧВЕ ...»

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

Саратовский государственный аграрный университет им. Н.И.Вавилова

На правах рукописи

АЗАРОВ КАРЕН АЛЬБЕРТОВИЧ

ЭФФЕКТИВНОСТЬ УДОБРЕНИЙ ПОД ЗЕРНОВЫЕ КУЛЬТУРЫ

С УЧЕТОМ ГЕОМОРФОЛОГИИ АГРОЛАНДШАФТАИ УРОВНЯ

СОДЕРЖАНИЯ ГУМУСА В ПОЧВЕ

Специальность 06.01.04 - Агрохимия

ДИССЕРТАЦИЯ

На соискание ученой степени кандидата сельскохозяйственных наук

Научный руководитель:

доктор сельскохозяйственных наук, профессор Медведев И.Ф Саратов –

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

Введение Глава 1. Обоснование выбора направления исследований Ландшафт – основа стабилизации и поддержания процессов обмена энергии Роль агроландшафта в формировании почвенноагрохимических свойств почвы Потери гумуса и питательных веществ из почвы 1.3. Роль гумуса в формировании элементов эффективного 1.4. плодородия почв Связь урожайности зерновых культур с геоморфологическими и почвенно-агрохимическими свойствами почв 1.5 в агроландшафте Условия, методика и объекты проведения исследоваГлава 2. ний Характеристика региональных природных условий 2.1. Геоморфологическое строение и рельеф 2.2. Характеристика объекта исследований 2.3. Методика проведения исследований 2.4. Схемы опытов 2.5. Основные экологические факторы формирования почГлава 3. венно-агрохимических показателей в агроландшафте Эрозионные процессы в период весеннего снеготаяния 3.1. Потери и поступление биогенных веществ в почву с 3.2. дождевыми осадками Влияние рельефа на внутрипочвенное перераспределение почвенно-агрохимических показателей в агроландшафте Внутриполевая дифференциация Глава 4. почвенно-агрохимических показателей в агроландшафте Технология почвенно-агрохимического тестирования 4.1. почв на тестовых полигонах Контурный анализ почвенно-агрохимического состояния 4.2. пашни на тестовых полигонах №2 и № Дифференциация контурных систем почвенного плодородия и их вариабельность в пространстве Связь элементов почвенного плодородия с гумусом 4.4. Влияние удобрений на урожайность зерновых культур в Глава 5. различных экологических условиях Экологические условия применения удобрений в агроландшафте Связь урожайности и качества пшеницы с уровнем содержания в почве гумуса и питательными элементами Эффектинвость удобрений в условиях точного 5.3. земледелия Расчетный баланс минерального азота (нитратного) под озимой пшеницей в условиях различного содержания 5.4 гумуса в почве Эколого-энергетическая и экономическая эффективГлава 6. ность применения удобрений под зерновые культуры Влияние рельефа на энергетическую эффективность удобрений при возделывании яровой пшеницы Влияние содержания гумуса в почве на энергетическую эффективность вносимых удобрений Экономическая эффективность применения удобрений при различном содержание гумуса в почве Закономерность развития сельского хозяйства находится под непосредственным влиянием, прежде всего природных и антропогенных процессов.

Наиболее яркое проявление природных процессов в современных условиях связывается с глобальным изменением климата и повышением его аридности. На этом фоне широкое применение средств химизации позволяет усилить устойчивость производства сельскохозяйственной продукции и функционирования агроэкосистемы [53,98].

Почвенному покрову как основному источнику питательных элементов для растений принадлежит роль связующего звена в биосфере. Вместе с растительным покровом он играет громадную роль в сохранении нормального режима агроэкосистемы и биосферы в целом. Мозаика почвенного покрова отражают неоднородность ее ландшафтного и климатического территориального разнообразия. Изменение климатических условий в значительной мере изменили условия формирования стока талых вод и переориентировали функциональные особенности отдельных факторов принимающих участие в формировании почвенно-агрохимических показателей, усилилась связь урожайности отдельных групп, прежде всего, зерновых культур с уровнями плодородия почв в агроландшафте [97]. На этом фоне существенно снизились качественные и количественные показатели продуктивности сельскохозяйственных культур. Основная причина недостаточная адаптация к фактическим современным природным условиям технологий применения удобрений, а также низкий уровень возмещения питательных веществ потерянных в результате эрозии и выноса с урожаем сельскохозяйственных культур.

В данных условиях, для выявления дифференциации почвенного плодородия, актуально проведение диагностики состояния почвенного покрова при помощи проведения почвенно-агрохимического обследования, основанной на применении геоинформационной системы и компьютерной обработки, которая дает возможность отразить на картографическом материале дифференциацию по элементам почвенного плодородия. Применение компьютерных технологий позволяет полнее адаптировать технологии возделывания сельскохозяйственных культур к различным уровням плодородия почвы более рациональному использованию почвенных ресурсов [218,185].

Результатом компьютерной обработки почвенно-агрохимического обследования является картографический материал, при использовании которого возможно формирование рабочих участков по близкому уровню плодородия, что дает возможность эффективно использовать почвенные ресурсы.

Учитывая, что в степной зоне почвы на территории Саратовской области подвергается активному воздействию различного уровня и интенсивности процессов деградации, возникает проблема формирования близких по уровню плодородия рабочих участков и соответствующих систем удобрения с целью углубления адаптации сельскохозяйственных культур к различным экологическим условиям.

Степень разработанности темы. Ландшафтное районирование территории почв степного биома выявило высокую степень их геоморфологической напряженности. По статистическим данным только в Саратовской области более 60% всех пахотных земель находятся на склонах различной крутизны и экспозиции.

Глобальное изменение климата и высокая активность различных негативных природных процессов способствовали формированию интразональных зон агрохимической обеспеченности пашни, уровня урожайности и качества получаемой продукции [74,217,218,77,56,221,222,127,146,185,109, 101].

При этом различия по урожайности сельскохозяйственных культур между отдельными почвенно-агрохимическими контурами (рабочими участками) в агроландшафте могут достигать показателя колебания уровня урожайности при переходе из одной природно-климатической зоны в другую [65,118,200,74].

Имеющиеся в литературе данные эффективности удобрений под различные сельскохозяйственные культуры на почвах получены в основном для 46,82,93,130,147,148,149,165,198]. Однако размещенная на положительных и отрицательных формах рельефа пашня по своим агрохимическим и продуктивным показателям несопоставима с почвами выровненных участков и требуют дополнительного их изучения.

Развитие точного земледелия базируется, прежде всего, на результатах почвенно-агрохимической диагностики. Выделенный на поле с помощью навигационного оборудования спектр контуров почвенного плодородия позволяет более объективно оценить потенциальные возможности различных по рельефу и уровню плодородия внутриполевых рабочих участков (контуров) и на этой основе разработать эффективные и экологически безопасные системы удобрений.

Наличие цифровых агрохимических картограмм, на которых с учетом геоморфологической ситуации на поле, выделены базовые почвенноагрохимические контуры (рабочие участки) позволяют перейти к точному, дозированному применению удобрений и формированию ландшафтных систем удобрений.

Влияние удобрений на процесс формирования почвенноагрохимических показателей и продуктивность зерновых культур в условиях выраженного рельефа на черноземных и темно-каштановых почвах до настоящего времени остается малоизученными.

Актуальность исследований. Почвенному покрову, как основному источнику питательных элементов для растений, принадлежит роль связующего звена в биосфере. Вместе с растительным покровом он играет громадную роль в сохранении нормального режима агроэкосистемы и биосферы в целом.

Региональная мозаика почвенного покрова в полной мере отражает как геоморфологические, так и микроклиматические особенности территории.

Глобальное потепление в значительной мере изменили условия формирования стока талых вод, что в свою очередь привело к фациальному переформированию почвенно-агрохимических показателей, усилилась роль рельефа в формировании продуктивных и качественных показателей возделываемых сельскохозяйственных культур.

Возникла острая необходимость возмещения выноса растениями питательных элементов и их безвозвратной миграции в процессе горизонтального и вертикального внутрипочвенного стока за счет внесения удобрений и других средств интенсификации.

Решение этого вопроса связано с проведением рельефной типизации, формированием однотипных по содержанию гумуса рабочих участков и повышением уровня обеспеченности растений питательными элементами, прежде всего, за счет внесения удобрений с учетом геоморфологии поверхности поля.

Применение компьютерных технологий при детальном почвенноагрохимическом обследовании позволяет провести геоморфологическую типизацию, отразить на картографическом материале пространственную дифференциацию уровней содержания гумуса в почве и обеспеченность почвы питательными элементами, и в процессе генерализации контуров сформировать из них рабочие участки (поля) с однотипными почвенноагрохимическими показателями. Применение удобрений под различные сельскохозяйственные культуры на однотипных по рельефу рабочих участках (полях) и с учетом содержания гумуса в почве приведет к повышению их эффективности.

Влияние удобрений на продуктивность и качество зерновых культур в условиях глубокой дифференциации рельефа и содержания гумуса в почве на черноземных и каштановых почвах до настоящего времени остается малоизученным, что и послужило основанием для проведения исследований.

Цель и задачи исследований. Цель исследований заключалась в разработке эффективных доз удобрений под зерновые культуры на черноземах обыкновенных и южных и определении связей урожайности культур и вносимыми под них удобрений с геоморфологическими условиями поверхности поля и уровнями содержания гумуса в почве.

В задачи исследования входило:

- определить источники поступления питательных элементов в почву и их основные регулирующие факторы;

- установить связь агрохимических показателей с элементами геоморфологии и содержанием в почве гумуса;

- определить особенности действия доз минеральных удобрений на урожай и качество зерновых культур в различных экологических условиях;

- рассчитать эколого-энергетическую и экономическую эффективность применения минеральных удобрений под зерновые культуры.

Научная новизна. Впервые для черноземов обыкновенных и южных Саратовской области с использованием фациальной принадлежности пашни и уровней содержания гумуса в почве, разработаны приемы применения удобрений под зерновые культуры. Для обоснований фаций в агроландшафте проведена детальная фациальная почвенно-агрохимическая диагностика пашни с выделением пространственно размещенных контуров по элементам плодородия почв. Выявлена связь эффективности удобрений с геоморфологией поверхности поля и пестротой почвенного плодородия.

Теоретическая и практическая значимость. Теоретическая значимость работы заключается в установлении особенностей применения удобрений под зерновые культуры с учетом содержания в почве гумуса и геоморфологического строения поверхности поля в агроландшафте.

Практическая значимость работы определяется разработкой экономически обоснованных доз внесения азотных удобрений под яровую пшеницу Nаа34-68 кг/га д.в, обеспечивающих повышение урожайности в трансэлювиальной фации на 26,9 %, а в трансаккумулятивной на 30,5 %.

На различных по уровню содержания гумуса почвах установлена тесная связь между урожайностью озимой пшеницы и дозами вносимых удобрений. В условиях глубокой дифференциации почвы по содержанию гумуса в пределах конкретного поля эффективную дозу азотного удобрения для подкормки озимой пшеницы, полученную на рабочем контуре с минимальным содержанием гумуса, следует увеличивать из расчета 20 % на каждый % прироста гумуса в почве других рабочих контуров. Разработанные приемы применения удобрений внедрены на площади 150 га в ООО фирма «Иловля»

Красноармейского района и на 500 га в ФГУП «Аркадакская сельскохозяйственная опытная станция» Россельхозакадемии, что позволяет увеличивать урожайность озимой и яровой пшеницы в среднем на 24%.

Методология и методы исследований. Методология проводимых исследований основана на анализе научных статей, отечественных и зарубежных авторов, патентной литературы, информационных изданий и книг научной и производственной тематики. В работе использовались полевые, лабораторные, лабораторно-полевые, экспедиционные и статистические методы.

Основные положения, выносимые на защиту:

-источники формирования агрохимических показателей в почве.

-оптимальные дозы удобрений под озимую и яровую пшеницу на черноземах обыкновенных и южных.

-связь эффективности доз удобрений с почвенной геоморфологией и уровнем содержания гумуса в почве.

-эколого-энергетическая и экономическая эффективность применения удобрений под яровую и озимую пшеницу.

Степень достоверности результатов проведенных исследований. Подтверждается удачным размещением типичных для степного биома Саратовской области объектов исследований (тестовых полигонов), тщательным обоснованием схемы полевого эксперимента, корректностью стандартных методик, большим числом выполненных наблюдений, учетов и анализов, использованием современных статистических методов оценки экспериментальных данных, результатами производственного внедрения.

Личный вклад автора. Соискатель принимал личное участие в проведении почвенно-агрохимического обследования пашни тестовых полигонов, разработке программы исследований и составлении схемы опытов по изучению эффективности в различных экологических условиях минеральных и органических удобрений, в анализе полученных данных и подготовке их к публикации в различных изданиях. Приведенные в работе результаты проведенных исследований по изучению связей эффективности вносимых под пшеницу удобрений с геоморфологией поля, гумусом и агрохимическими показателями почвы в полевых ценозах получены лично автором в объеме 80-85%.

Всем сотрудникам, принимавшим активное участие в подготовке диссертационной работы, выражаю свою глубокую благодарность.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы были доложены и обсуждены на международных научных конференциях «Вавиловские чтения» (г. Саратов, 2012, 2013), молодых ученых и специалистов, посвященной 140-летию Г.К. Мейстера (г. Саратов, 2013), молодых ученых и специалистов, посвященной 140-летию со дня рождения А.Г. Дояренко (г. Саратов, 2014); Всероссийских конференциях: молодых ученых и специалистов, посвященной 135-летию со дня рождения А.И. Стебута (г. Саратов, информационно-технологическое обеспечение адаптивноландшафтных систем земледелия (г. Курск, 2012), агротехнологическая модернизация земледелия (г. Курск, 2013); конференциях профессорско – преподавательского состава СГАУ (г. Саратов, 2012, 2013, 2014).

Реализация результатов исследований. Результаты проведенных исследований апробированы в «Экспериментальном хозяйстве» ГНУ НИИСХ Юго-Востока, Аркадакской ГСХОС, КФХ «Сарсенбаев Г.Т.» Пугачевского района, ООО «ТВС-АГРО» Аткарского района, ООО фирма «Иловля» Красноармейского района.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 научных работ, из них 3 – в реферируемых журналах по списку ВАК.

Объем и структура работы. Диссертация изложена на 181 страницах компьютерного текста, состоит из введения, 6 глав, выводов и предложений производству, включает 43 таблицы, 24 рисунка, имеет 26 приложения. В список литературы входят 244 источника, в том числе 20 – зарубежных авторов.

ГЛАВА 1. Обоснование выбранного направления исследований 1.1. Ландшафт – основа стабилизации и поддержания процессов Ландшафтом обычно называют такую деятельность человеческого общества, которая концентрируется в весьма ограниченной сфере. В ландшафте объединяются и взаимопроникают друг в друга компоненты неживой природы (литосфера, атмосфера, гидросфера), почвенного покрова (педосфера) и биосфера (включая человека и его деятельность). Причем человек остается частью природы, несмотря на созданную им искусственную среду обитания [18].

Ландшафт – это большая и сложная динамическая система земной поверхности, в которой происходят взаимодействие и взаимопроникновение элементов лито-, гидро- и атмосферы [179].

Первые представления об антропогенных ландшафтах были заложены в начале ХХ века В.П. Семеновым-Тян-Шанским, в своих работах автор вполне определенно раскрывает связь типа хозяйствования с особенностями организации ландшафта.

Антропогенный ландшафт – это ландшафт, измененный в результате прямого или косвенного воздействия человека. Такое определение используется и в современной зарубежной ландшафтной экологии склоняется к трактовке, бытовавшей в первой половине века, что ландшафт как геосистема, включает в себя человека и результаты его деятельности.

Сущность внутриландшафтных связей состоит в передаче вещества и энергии в форме гравитационного перемещения, влагооборота, миграции химических элементов, продуцирования и разложения биомассы и др., что в совокупности рассматривается как функционирование ландшафта [70].

Однородные системы (фации, местности, ландшафты) лучше приспосабливаются к нейтрализации концентрированных локальных воздействий, дополнительные (консорции, урочища) – имеют хорошо развитые механизмы саморегуляции, которые принимают на себя тотальное влияние [7].

Самоорганизация ландшафта – это накопление селективно ценной информации (в том числе для живых существ – за счет естественного отбора), увеличение энергетического потенциала, усиление контроля за отклонениями, которые могут вносить разлад в функционирование системы.

Культурный ландшафт менее устойчив, чем природный, т.к. естественный механизм саморегуляции в нем, в той или иной мере, нарушен и требуются усилия по его поддержанию. Естественный ландшафт стремится отторгнуть чуждые ему элементы и вернуться к своему первоначальному состоянию. Изменение ландшафта, испытавшего на себе воздействие человека, может оказаться необратимым. Степень обратимости или необратимости различных измененных ландшафтов может колебаться в очень широких пределах [77].

Неотъемлемым биокосным элементом агроландшафта и агроэкосистемы является почва, которая выступает фактором упорядочивания их структуры.

Почва относится к открытым системам, существующим в условиях притока вещества и энергии извне. Устойчивость такой системы в значительной степени зависит от внешних условий, несмотря на то, что почва обладает стабильной буферностью.

Интегральным показателем устойчивости почв к различным химическим воздействиям должно быть ее эколого-геохимическое состояние, обеспечивающее нормальное функционирование присущих данной биогеоценотической системе совокупностей живых организмов [30].

Почва выполняет важную биосферную функцию, являясь резервуаром и депо биофильных элементов. Функционирование почв характеризуется равновесием между поступлением органического вещества и его минерализацией, между поступлением с опадом минеральных элементов и их включением в биологический круговорот [187].

Показателями нормального функционирования почвы является биологическая продуктивность почвы и качество получаемой (производимой) продукции [37].

Главной проблемой ХХI века является проблема смены климатических условий [38]. В последней четверти ХХ века наблюдалось резкое потепление, которое в бореальных областях проявлялось, прежде всего, в увеличении количества теплых зим. За последние 100 лет средняя температура приземного слоя воздуха в масштабе всей планеты поднялась на 0,6-0,7оС.Также отмечается увеличение годовых сумм осадков в среднем на 5-15 %, особенно в летний период [38].

В последней четверти ХХ века среднегодовая температура воздуха в средних широтах повышается на 0,33оС за 10 лет. По исследованиям М. И.

Будыко в большей мере это происходит за счет повышения зимних и весенних температур, на 0,46 и соответственно 0,43оС. В летний период повышение температуры составляет соответственно 0,26 и 0,16оС [28].

Проведенные наблюдения сотрудниками ГНУ НИИСХ Юго-Востока за 75-летний период свидетельствуют об устойчивом росте температуры воздуха по всем метеорологическим станциям Саратовской области со скоростью 0,2-0,3 каждые 10 лет. В правобережных районах области среднегодовая температура воздуха за 75-летний период увеличилась на 1,4-1,8о, а в левобережных – на 1,5-2,3о [95].

С 1984 г по настоящее время наблюдается тенденция снижения активности стока талых вод и накопление весенних и осенних запасов свободной влаги.

Активизация гидроморфных процессов и выщелачивание почвенного профиля произошло при снижении стока талых вод и повышенном поглощении зимних осадков почвой [177].

Таким образом, активность почвообразовательных процессов определяется выраженностью рельефа местности, процессами эрозионной деятельности и интенсивностью использования пашни в агроландшафтах.

Оптимизация и стабилизация процессов почвообразования в агроландшафте связанно с внедрением почвозащитных приемов от эрозии.

Производительность агроландшафта зависит, прежде всего, от плодородия почвы. Плодородие почв – интегральная экологическая функция почв, обеспечивающая формирование пространственно-временной изменчивости и обусловленная взаимодействием различных свойств и функций [49,77,98,103].

Землеустроительные элементы, если они не учитывают роль природы, могут стать элементами негативной нагрузки на экологический каркас, что в дальнейшем выразится в снижении урожайности, качества получаемой продукции. Отсюда выделяются значение первостепенной важности: поддержание и сохранение саморегулирующих почвенных свойств, напрямую зависящих от средоформирующих и средостабилизирующих элементов агроландшафта.

Негативные экологические последействия, возникшие в процессе деятельности человека, могут быть значительно уменьшены или устранены в ходе обустройства агроландшафта и применения современных диагностических методов почвенно-растительной системы. Диагностический метод с использованием геоинформационной системы – и сопутствующих ей технологий позволит решить проблему и получить подробную информацию об экологическом состоянии почвенной системы [244]. Однако для реализации технологий точного земледелия требуется как новая техника, так и новые методы агрохимического обследования. Идеология точного земледелия не является для России чем-то новым. В начале 70 - 80-х гг. учеными велись разработки методологии по управлению продукционными процессами сельскохозяйственных культур и автоматизированных информационных систем его обеспечения. Г.П. Устенко, А.Ф. Чудновским, А.А. Зиганшиным, И.С. Шатиловым, М.С. Савицким, А.П. Федосеевым, А.А. Климовым, X.Г. Тоомингом, Г.Е. Листопадом, М.М. Каюмовым, Л.Р. Шарифулиным были установлены принципы его агрофизического, агрометеорологического, агротехнического и агрохимического программирования.

Теорию точного земледелия можно представить как усовершенствование программирования и прогнозирования урожаев. Идея современного точного земледелия была выражена Д.Н. Прянишниковым – основоположником отечественной агрохимии, академиком, который в 1946г. писал: «Определение содержания в почвах подвижных форм фосфора, калия и азота может быть использовано для дифференцирования доз и соотношений азотных, калийных и фосфорнокислых удобрений, вносимых в одном и том же поле севооборота и под одну и ту же культуру, но на участках поля, различающимся по почвенно-агрохимическим показателям. Отсюда большое значение приобретают способы учета этих изменяющихся в пространстве и во времени почвенного потенциала в целях целесообразного применения удобрений»

[146,153].

Опустынивание и увеличения пестроты почвенного покрова происходит в условиях интенсивного изменения климатических условий [116].

В Саратовской области наиболее сильно развиты процессы водной эрозии, что приводит к ухудшению агрофизических и биологических, а также агрохимических, свойств почв и снижению их продуктивности на 10-50% [119].

Яровая пшеница наиболее сильно реагируют на уровень смытости почвы, менее заметная реакция наблюдается у озимой пшеницы. Так на слабоэродированных почвах по сравнению с неэродированными потери урожайности яровой пшеницы составляли около 15%, а на среднеэродированных – 31%, озимая пшеница соответственно теряла 6% и 12% [115].

В процессе эрозионной деятельности происходит перераспределение мелкозема с элементами плодородия по склону с поверхностными и внутрипочвенными водами. Поэтому дефицит элементов эффективного плодородия растения ощущают на склоновых почвах в большей мере, чем на зональной почве [74,117].

В зависимости от степени смытости почвы, на склоновых почвах нитрификационная способность черноземных почв понижается на 11-32% [40].

На данный момент технологии точного земледелия основываются на применении методов картографирования внутрипольной дифференциации почвенного покрова, использовании современных компьютерных программных обеспечениях для обработки информации данных, вовлечение автоматизированной техники для внесения удобрений и пестицидов на координатной основе. Продолжение исследований в области точного земледелия и совершенствование методологических и технологических приемов должны расширить масштабы внедрения точного земледелия в мире и, особенно, в нашей стране с ее «пестропольем» [7,243].

Сплошное внесение удобрений, в процессе которого количество вносимых удобрений становится избыточным на одном участке и недостаточным на другом, в скором времени будет заменено точным внесением, способным дать необходимое количество питательных веществ, в зависимости от пестроты почвенных показателей. Такой принцип применения агрохимикатов и, в частности, удобрений должен будет стать законом, так как сила антропогенного влияния от этого приема влияет как на качественные показатели урожая и величину получаемой продукции, так и очень велико воздействие на окружающую среду [221,222].

В гумусе сосредоточено 60% фосфора, 80% калия, 98% запасов почвенного азота, а также все необходимые элементы минерального питания растений. До 88% энергии сосредоточено в пахотном слое в инертном гумусе.

Наиболее богатыми гумусом являются черноземы, где обильному образованию гумусовых веществ способствовала богатая травянистая растительность, деятельность дождевых червей, а также активная деятельность микроорганизмов, а их закрепление в почве обеспечивает высокое содержание глинистых минералов [6].

В научной литературе представлен экспериментальный материал, показывающий тесную взаимосвязь полученного урожая от содержания гумуса в почве.

В границах определенного участка или отдельно взятого поля, реакция почвенной среды, содержание гумуса в пахотном слое почвы, основных питательных элементов в определенной степени подчиняется закону нормального распределения.

Также не менее значимая, особенность структуры пространственного распределения почвенного плодородия состоит в том, что наибольшая пространственная изменчивость (вариабельность) по содержанию гумуса в почве, подвижного калия и подвижного фосфора наблюдаются как на участках с относительно большими, так и с меньшими значениями этих показателей в промежуточном снижении вариации, т. е. среднем интервале. Для выравнивания агрохимических показателей и плодородия почвы в целом необходимо, учитывать данную закономерность, которая позволит выбрать оптимальную стратегию, направленную на улучшения почвенного плодородия [222].

Так как все агротехнические и технологические операции на поле сельскохозяйственного значения дифференцированы т.е., разграничены как в пространстве так и во времени, то при почвенной обработке необходимо учитывать разнообразие и микроклиматических геоморфологических особенностей каждого рабочего участка.

Развитие ландшафтной агрохимии в рамках точного земледелия позволяет сблизить биологические особенности растений с экологическими особенностями каждого обособленного, по каким либо признакам участка поля.

В современной системе земледелия создаются возможности для управления и контроля ростом и развитием растений на всех отдельно взятых участках поля. Каждый рабочий участок в пределах поля рассматривается как система, состоящая из неоднородных участков с различными физическими, биологическим и агрохимическими, показателями.

1.3. Потери гумуса и питательных веществ из почвы Потери основных элементов питания и гумуса из плодородного слоя почвы в результате эрозии определяется как антропогенным, так и природным влиянием. Набор факторов, контролирующих величину и интенсивность смыва питательных веществ очень широк. Основными факторами являются:

тип почвы, технологии внесения удобрений, степень покрытия растительным покровом, гидрологический режим местности и уровень противоэрозионной защиты.

Величина потерь питательных элементов в количественном отношении в результате эрозионных процессов определяется количеством стока. Основной смыв почвы наблюдается в лесостепной зоне Европейской части России и происходит в период снеготаяния с талыми водами. По мере продвижения с севера на юг и юго-восток Европейской части России объем стока с зяби в весенний период падает со 110 до 31 мм, с уплотненной пашни - со 140 до мм [184, 34]. В летнее время года в лесостепных районах ливневые осадки могут вызывать большой объем смыва почвы. Однако его часть в общем объеме почвы от водной эрозии, как правило, небольшой [69,12].Из исследований в Каменной степи, в структуре общегодового стока, сток талых вод составляет от 60 до 80%, и лишь 20% ливневой. Индекс ливневых имеет небольшую величину [64,88,89]. До 1985 года характер проявления водных эрозионных процессов в пределах распространения черноземной зоны Поволжья не противоречил вышесказанной закономерности. В последние годы в связи с происходящими климатическими изменениями (1985-1999 гг.) формирование стока талых вод с зяби практически не наблюдалось.

В Молдове сток воды во время ливневых осадков достигает 50 мм, в вследствие чего при эрозионных процессах теряется в год около, 2,1 млн. т калия, 900 тыс. т азота, 180-220 тыс. т фосфора 4,1-6,2 млн. т гумуса. Причем с одного гектара многолетних насаждений и пахотных земель теряется 3-4 кг обменного 0,5-1 кг нитратного азота, 0,7-1 кг подвижного фосфора [81,193].

Потери плодородия почвы от смыва талыми и ливневыми водами определяется, прежде всего, почвенно-климатическими условиями и типом почвы. На дерново-подзолистых почвах в лесостепной зоне, среднегодовые размеры смыва почвы с зяби, по обобщенным данным [66], колеблются от 0, до 13,8 т/га, на черноземных почвах степной зоны - от 0,2 до 34,6 т/га (5, т/га), сухостепной зоне на каштановых почвах - от 0,2 до 7,8 т/га (4,1 т/га), и на серых лесных почвах - от 0,6 до 44,3 т/га (7,6 т/га). В отдельные годы, особенно в условиях сухостепной и степной зоны, на паровых полях смыв почвы от сильных ливней составляет от 20 до 50 и более т/га [65,66,57,17,206,123].

Ежегодно со склоновых земель лесостепной и степной зон сбрасывается в водоемы и овраги от 65 до 77 млрд.м3 и более талых вод, при использование которых дополнительный сбор зерна могли бы обеспечить от 50 до 60 млн. т [100].

Из расчетов Украинского НИИ «Защиты почв от эрозии» сумма смыва почвы, в условиях полного отсутствия в пределах поля противоэрозионных мероприятий, составляет 290 млн. т почвы, с которой теряются 388 тыс. т фосфора, 455 тыс. т азота, 6,1 млн. т калия, и 9,3 млн. т гумуса.

В ЦЧЗ, с пашни склонов, ежегодные потери составляют 2,6 млрд. м талых вод [74].

С эрозионной деятельностью связано около 58% потерь общих запасов гумуса [11].

Обобщенные двадцатилетние данные (1965-1985 гг.) по степной зоне Поволжья (черноземные почвы) указывают, что сток талых вод на зяби составляет 13,2 мм, на плотной пашне - 40,1 мм.

В США ежегодные финансовые убытки от потери элементов эффективного плодородия от смыва оцениваются в 8,1 млрд. долларов при среднем смыве 17 т/га. При этом ежегодно удобрений поставляется на сумму свыше 9,0 млрд. долларов [237].

Эрозивный процесс приводит к потерям питательных веществ необходимых для роста и развития растений. Так смыв 1 см пахотного слоя приводит к снижению запаса гумуса в почве урожая на 2-4% и 4 т/га [78,79]. По проведенным исследованиям Кудеярова В.Н и др. [213] с одним миллиметром смытой почвы с гектара теряется от 100 до 200 кг связанного углерода, около 11 кг фосфора и от 11 до 21 кг азота.

Потери элементов питания можно разделить на группы. Первая группа – потери с твердым стоком, в основном смываются валовые формы элементов питания, и вторая – жидкий сток, при нем смываются подвижные (водорастворимые) формы. Водорастворимые формы являются основными источниками питания растений, а валовые формы являются резервом этих элементов.

Обобщенные многолетние данные свидетельствуют, о среднегодовом смыве почвы в ЦЧЗ без противоэрозионных мероприятий достигает на зяби 6,1 т/га, на посевах озимых культур – 3,1 т/га и многолетних травах – 0,5 т/га [65,159,74]. Возможная норма смыва почвы, по мнению М.Н Заславского должна колебаться в рамках 0,25-0,55 т/га, которая не превышает темп естественного почвообразования [60].

Соотношения мигрирующих веществ с жидким и твердым стоком имеют широкий диапазон и, как правило, определяются мероприятиями по защите и оптимизации почвенного плодородия, агрофоном, обеспеченностью почв питательными элементами, и составом атмосферных осадков. В случаях, особенно при загрязнении окружающей среды или неправильном применении удобрений эти соотношения, становятся более тесными и величина потерь питательных элементов с жидким стоком, достигает значительных размеров [210,74,202,112].

Причиняемый ущерб экологии (окружающей среде), чаще всего связан с нарушением технологии хранения, перевозки, а также неумелым использованием и внесением туков. Однако основным путем и источником загрязнения экологии является водная и ветровая эрозии [172,138,144,54,202,128,74].

По зарубежным данным в США, Канаде и Франции потери почвенного азота в результате эрозионного процесса на пахотных землях оцениваются 27 кг/га, 15 кг/га и от 30 до 182 кг/га соответственно [22,172].

По мнению И.И. Синягина в условиях недостаточности влаги на большой части бывшего СССР потери азота из удобрений невелики [168]. Еще ряд ученых пришли к аналогичному выводу [141,35,94,88]. Из внесенных удобрений в водоисточники попадает 30% калия 2-2,5% фосфора и 30% азота[142]. По данным зарубежных источников из внесенных удобрений вследствие эрозионной деятельности на склоновых землях теряется около 20% азота, от 2 до 5% фосфора и примерно от 10 до 70% калия [154]. На практике же теряется от 32 до 51% применяемых удобрений, из них, от внесенного количества, 15 до 20% составляют потери азота.

В ходе эрозионных процессов потери фосфора значительно меньше, так как потери фосфора связаны главным образом не с жидким стоком, а с валовыми потерями при эрозии [44]. В США ежегодные потери составляют шесть килограмм на гектар [36].

В количественном выражении калия в результате эрозионной деятельности теряется больше, нежели фосфора, однако, потери калия компенсируются благодаря накопленным его запасам в более глубоких слоях почвы.

Наибольшие потери питательных элементов наблюдались при внесении удобрений на таломерзлой почве и на черном пару. Меньшие потери почвы и удобрений наблюдались на полях с противоэрозионной обработкой почвы [99,131,17].

В период выпадения ливневых осадков, сток воды находится в тесном контакте на протяжении одного или двух часов с поверхностью почвы, а для растворения поступившего количества почвенного материала требуется несколько дней [236,226].

Объем стока, атмосферные осадки, обработка почвы и удобрения оказывают наиболее заметное влияние на величину потерь агрохимических показателей. Покрытие растительностью почвы не менее 70%, обеспечивает высокую степень защиты от эрозионных процессов [233,230].

Поэтому при сильно- и среднесмытых почвах склонов целесообразнее размещать почвозащитные севообороты, в которых максимальная площадь отводится однолетним и многолетним травам и зерновым культурам, а также где исключаются чистые пары и по возможности пропашные культуры [161,21,206,86].

Наряду с почвозащитными свойствами, многолетние травы хорошо поддерживают и восстанавливают плодородие склоновых почв [194,120,3,40].

Зерновые культуры и многолетние травы в зернотравяном севообороте особенно хорошо защищают почву от ливневой эрозии [51,55,62,204].

Результаты исследований в других почвенно-климатических зонах выявили высокую агроэкологическую надежность и эффективность применения буферной защиты пара [195,91,169,206,61,62,170,104].

Годовые общие потери с 1 гектара подвижных форм питательных элементов со смывом и стоком в ЦЧЗ в год не превышает: фосфора 0,6-2,0 кг, калия 1,4-4,0 кг и азота 1,1-3,0 кг [74].

Систематическое проявление водной эрозии приводит к слабой реализации биоклиматического потенциала почвы, что приводит к снижению ее производительной способности. Исследования ученных в разных почвенноклиматических зонах показали, что на смытых почвах недобор урожая сельскохозяйственных культур может колебаться в пределах от 10 до 60%.

1.4. Роль гумуса в формировании элементов эффективного Важнейшим показателем почвенного плодородия является содержание гумуса, т.е. органического вещества в почве.

Крупномасштабные деградационные процессы происходят с ростом воздействия человека на природу. Так, почти 98% пахотных угодий России характеризуются отрицательным балансом гумуса. В пахотных почвах ежегодно на разных типах почв содержание гумуса уменьшается на 0,01-0,06 %, или 0,3-0,95 т/га. С этим связано снижение их плодородия [23].

Изучая плодородие черноземных почв Саратовской области И.Ф. Медведев отмечал, что почти исчезли мощные высокогумусные черноземы из системы почвенного покрова с содержанием гумуса до 12-14 %, т.е за время использования пашни черноземные почвы потеряли от 40 до 50 % гумуса [114].

Значительно ускорился процесс дегумификации вследствие вовлечения в сельскохозяйственное производство склоновых земель [150,45,58].

А.А. Танасиенко и А.Д. Орлов считали, что снижение плодородия почв в процессе смыва перегнойно-аккумулятивного горизонта происходит за счеьт постепенного вовлечения в пахотный слой нижележащих горизонтов, характеризующейся меньшим содержанием гумуса [135]. Так если в пахотном слое слабосмытых черноземных почвах содержание гумуса в среднем 9,0%, то на несмытых среднее содержание составляет 11,6%. Они считали, что незначительные потери гумусовых веществ и ила из верхней части почвенного профиля приводит к изменению органического вещества и его качественного состава [58].

Уменьшение количественного состава подвижных форм фосфора, азота, калия в почве происходит за счет снижения содержания в почве гумуса на смытых почвах [33]. Так, на эродированных почвах выщелоченного чернозема содержание азота в валовой форме по сравнению с полнопрофильными почвами уменьшается на 0,14% или на 5,8 т/га в слое 0-50 см [75].

Основополагающими факторами, определяющими содержание подвижного и валового фосфора, являются окультуренность почв и характер почвообразующей породы. В результате распашки нижнего горизонта и действия эрозионных процессов на эродированных почвах содержание общего фосфора падает. По такой же причине, с увеличением эродированности почвы происходит снижение степени подвижности фосфора и его содержания в подвижной форме [80,106].

Содержание обменного калия в почве в большей мере зависит от гранулометрического состава почвы и степени ее смытости. При одинаковых окультуренности и гранулометрическом составе почвы, в эродированных почвах содержание обменного калия может несколько уменьшаться [152,170], увеличиваться [71,151] или оставаться неизменным.

Наблюдения в различных почвенно-климатических зонах выявили значительную вариабельность агрохимических показателей и дифференциацию почвенного покрова по содержанию гумуса в почве в зависимости от геоморфологии территории. Многие ученные считали, что это вызвано различными микроклиматическими условиями противоположных склонов [25,32, 83,186,196,200,231].

В своих наблюдениях на типичных черноземах Г.А. Чуян и др. отмечают, что изменение влажности и термического режима (температуры), а также реакции среды (рН) в значительной мере определяет направленность и интенсивность микробиологических процессов, формирование микроорганизмов [200]. Увеличение температурного режима и почвенного раствора рН способствует тому, что в почве южных склонов активнее осуществляется минерализация по сравнению с почвой теневых склонов. По мнению многих ученных, на различных экспозициях склона, складываются различные пропорции между накоплением и разложением органического вещества. Поэтому, содержание гумуса в почве на 0,4-0,82% меньше на почвах на склонах южной экспозиции, нежели на склоне северной экспозиции [200].

Изучая влияние экспозиции склона на качественный и количественный состав гумуса по подтипам чернозема, И.Ф. Медведев выявил, что уровень содержания гумуса на теплых склонах был на 12,8 % ниже, чем на холодных склонах [121].

Черноземы на склонах южной экспозиции, являются менее кислыми, чем на склонах северной экспозиции, данное явление объясняется степенью смытости почв и глубиной залегания карбонатов [74].

Гидролитическая кислотность находится в обратной зависимости от смытости почв, с увеличением степени смытости она уменьшается [75, 195, 200].

Важным фактором эффективности удобрений является пространственное распределение агрохимических свойств почв.

Пространственное распределение агрохимических свойств почв на угодье – это результат действия совокупности естественных процессов и практики землепользования. По мнению ряда авторов, внесение удобрений, повышает средний уровень содержания агрохимических показателей и, как правило, обычно приводит к возрастанию вариабельности в пространстве этих показателей. Авторы объясняют это тем, что помимо убывания естественной вариабельности, уменьшается дифференциация свойств в том же направлении, как и интенсивность применения удобрений. И. Г. Важенин и др.

считают что, решающим фактором, обусловившим неоднородность по содержанию агрохимических показателей в пахотном слое, является не только различие по типовым почвенным признакам, но и характер активности деятельности человека – система земледелия и система удобрения [133].

Участки с пониженными и повышенными значениями свойств могут иметь в пространстве самые разные площадные контуры – от пятнистости до крупных выделов. Для построения картографического материала по вариабельности агрохимических свойств могут быть использованы различные способы, наиболее эффективными являются геостатические методы [163].

В формировании пестроты почвенного покрова огромную роль играют геоморфологическое и литологическое строение территории, что в дальнейшем отражается непосредственно на количественном и качественном показателе урожайности возделываемых сельскохозяйственных культур [120,128, 221,240].

Рельеф, генезис почв, характер жизнедеятельности биоценоза и внесение удобрений, оказывают определенное влияние на пестроту почвенного плодородия и распределении питательных элементов в почвенном покрове [160,224].

Каждая из выше перечисленных причин в конкретных условиях может оказаться определяющей в формировании пестроты распределения элементов питания, так в различных условиях в одном случае наибольшее варьирование будет отмечено для калия, в другом – для фосфора или для другого элемента эффективного плодородия.

Дифференциация по плодородию почвенного покрова регулируется как антропогенными, так природными факторами. Степень пораженности почв эрозионными процессами и коэффициент расчлененности территории являются основными и определяющими факторами при формировании пестроты плодородия на распаханных почвах. Овражно-балочная сеть и рельеф активно принимают активное участие в формировании контурной системы по плодородию. Занимаемая площадь почвенных контуров определяется густотой овражно-балочной сети и пестротой материнской породы.

Почвенно-агрохимическая диагностика почвы с применением геоинформационной системы и компьютерных программ позволяет выявить и распознать на картографическом материале контурную дифференциацию почвенного покрова по плодородию и позволит проводить в дальнейшем экологический мониторинг.

Большая дифференциация почвенного плодородия приводит к снижению эффективности применения удобрений к усреднению уровня урожайности и его качества [9].

Экологический мониторинг по эксплуатации земельных ресурсов, должен базироваться на интегрированной оценке и постоянном экологическом мониторинге каждого элемента. Наиболее достоверный мониторинг может быть достигнут при фиксации в пространстве места отбора почвенного образца, т.е. с применением ГИС-технологий.

В настоящее время комплексная оценка плодородия земель сельскохозяйственного назначения по результатам проводимого агрохимической службой мониторинга, как правило, не проводится из-за отсутствия соответствующих рекомендаций. Это затрудняет научно обоснованное распределение возделываемых в хозяйстве культур по полям (участкам), разработку рациональной структуры посевных площадей и сельскохозяйственных угодий, севооборотов.

Комплексная оценка плодородия почв и земель необходима для разработки и установления очередности проведения по контурам, полям (участкам) агрохимических, агротехнических, фитосанитарных, мелиоративных, противоэрозионных и других мероприятий по сохранению и повышению плодородия почв, особенно при ограниченных финансовых возможностях.

Она необходима и для стоимостной оценки сельскохозяйственных земель и оценки производственной деятельности хозяйств и растениеводческих подразделений сельскохозяйственных предприятий [127].

1.5. Связь урожайности зерновых культур с геоморфологическими и почвенно-агрохимическими свойствами в агроландшафте В настоящее время многими научными учреждениями установлено, что применение экологического каркаса территории в целом или отдельных его элементов с учетом геоморфологии агроландшафта приводит к повышению урожайности сельскохозяйственных культур [122].

Природные и антропогенные факторы формирования продуктивности возделываемых культур в распаханных ландшафтах, их интенсивность и соотношение между ними на фоне геоморфологического строения поверхности поля образует различные интразональные микроклиматические зоны [12,24,52,92,139,180,203,241,242].

Проведенные наблюдения за развитием микроклиматических показателей на различных фациях агроландшафта выявили их высокую динамичность.

Перераспределение солнечной энергии на поверхности зависит от расчлененности почвенной толщи, крутизны склонов и их экспозиции.

Южные склоны получают гораздо больше тепла, чем северные, поэтому склоны северной экспозиции прогреваются хуже, что отражается на характере растительности и водном режиме.

Неравнозначность экологической обстановки на различных элементах рельефа выражается в различии между собой элементов жизнедеятельности агробиоценоза: почвенно-агрохимическим показателям, интенсивности эрозионной деятельности и микроклиматическим ресурсам [126,162,34,85,74, 217,104,113,96,97].

Фациальный анализ микроклимата на черноземах южных Приволжской возвышенности показал, что в летний период (июнь) суммарное количество радиации, приходящее от Солнца на склоны южной экспозиции крутизной от 3 до 5о, в среднем, на 4% превышало количество тепла приходящего на водораздельную фацию, и на 6,1%, приходящего на склоны северной экспозиции [113]. Наиболее широкие различия по приходу солнечной энергии между противоположными склонами отмечались в утренние часы, а более – уже в полдень.

Разность температурного режима на высоте 20 см в дневные часы между северным и южным склонами в приземном слое воздуха, колебалась, в среднем в пределах, от 0,1 до 0,7оС, а относительная влажность воздуха от 1,0 до 4,0%. На южном и северном склонах относительная влажность воздуха по сравнению с водоразделом была в среднем на 3,0% ниже и на 1% выше фоновых значения соответственно.

Уровень микроклиматической изменчивости различных метеорологических величин находится в зависимости от местоположения по склону.

Наиболее теплыми в дневные часы в условиях отсутствия ветра, были вершины и верхние части южных склонов.

Наиболее сухие участки располагаются на элювиальной фации склона южной экспозиции, на этой фации показатели относительной влажности воздуха были на 2,0% ниже, чем на водораздельной фации, а наиболее влажные участки расположены на трансаккумулятивных аккумулятивных фациях, относительная влажность приземного слоя воздуха, в среднем, на 2,0-3,0% превышала фоновые значения.

Значения термической разности на поверхности почвы, и на глубине и 10 см, на водораздельных и элювиальных и трансаккумулятивных фациях варьируется, от 0,4 до 3,5С, от 0,1 до 1,4С и от 0,1 до 0,5С соответственно.

На склоне южной экспозиции эти разности достигали 0,5-1,9С, 0,3-1,6С и 0,2-0,7С соответственно.

Таким образом, показанные выше различия по влажности приземного слоя воздуха в верхних слоях почвы полярных склонов, температуре, отдельных местоположений по склону в различных почвенных условиях, и приходе суммарной солнечной радиации свидетельствуют о наличии определенной изменчивости микроклиматического потенциала, что находит отражение на уровнях урожайности сельскохозяйственных культур.

По данным отдела экологии агроландшафтов ГНУ НИИСХ ЮгоВостока в среднем за 24 года урожая яровой пшеницы, озимой пшеницы и ячменя на склоне южной экспозиции был на 12,2% (2,5 ц/га) ниже, чем на ровном участке (плато). За счет более благоприятных микроклиматических условий на склоне северной экспозиции, дефицит урожая зерновых культур по сравнению ровными участками (плато) составил 0,7 ц/га, что в 3,6 раза ниже, чем на склоне южной экспозиции.

Таким образом, такие природные особенности как, ориентированность склонов и степень смытости почв, играют одну из главных ролей в формировании урожая сельскохозяйственных культур в условиях черноземной зоны Поволжья.

Таким образом, ухудшение экологического состояния почв, способствует недоиспользованию всего потенциала черноземных почв, что в свою очередь приводит к значительному недобору урожая сельскохозяйственных культур.

Глава 2. Условия, методика и объекты проведения исследований 2.1.Характеристика региональных природных условий Климат Саратовской области характеризуется как засушливоконтинентальный, который формируется под влиянием переноса воздушных масс с севера, северо-запада и, особенно, с юго-востока. Особенностями данного климатами являются: холодная и малоснежная зима, преобладание в течение года ясных и малооблачных дней, непродолжительная засушливая весна, жаркое и сухое лето [2].

Континентальности климата – определяется одним из показателей, большой амплитудой годовой температуры воздуха, то есть разностью между средней температурой самого теплого и самого холодного месяцев. Она равна 32-37С.

Вегетационный период продолжается от 150 до 160 дней. Продолжительность безморозного периода в среднем – 137 дней.

В конце ноября - начале декабря наблюдается образование устойчивого снежного покрова. Период залегания снежного покрова протекает в течение 115-130 дней. Накопленные осадки за зимний период составляют 25-30% годовой нормы, которые могут дать при максимуме снежный покров высотой от 20 до 25 см.

Количество выпавших осадков характерно для континентального климата. Выпадение осадков по территории отмечено неравномерное. Сумма годовых осадков колеблется в пределах 390-470 мм. Выпадения наибольшего количество осадков происходит в теплый период года (около 310 мм). За весенний период в переходе от среднесуточной температуры воздуха через 5С до перехода через 15С выпадает 26-51 мм осадков, а в каждый летний и осенний месяц 34-57 мм (приложение 1,2,3). Однако прослеживается изменчивость выпадающих осадков из месяца в месяц и из года в год, и их сумма за вегетационный период отклоняется от средней.

Анализ метеорологических данных с 1923 по 2013 года показал, что каждый год выпадают ливневые осадки объемом более 20 мм, в три года выпадает два дождя более 30 мм и в один год из трех – более 40 мм [113].

Однако тенденция изменения климата в современных условиях проявляется в значительном потеплении зим, с 1971 по 2013гг средняя температура в зимний период по Саратовской области повысилась на 2,2о, увеличилось число ливневых осадков и сильно засушливых периодов [97]. По расчетам за период с 1973 по 1997 года прослеживается закономерность увеличения количества дней с осадками более 10 мм.

Одним из основных фактором перераспределения агроклиматических и климатических ресурсов, является рельеф, он оказывает большое влияние на формирование продуктивности возделываемых культур и почвенного покрова в целом.

Морфологический облик рельефа. Более 70% территории Саратовской области определяется сочетанием повышенных и пониженных форм рельефа, а также овражно-балочных, водораздельных и склоновых форм, что определяет глубинные параметры местных базисов эрозионных процессов, которые меняются от 70 до 260 м и более, что в дальнейшем отражается на расчлененности территории и на коэффициенте расчлененности рельефа в целом. Значительную площадь занимают склоны. Водоразделы развиты плоские, плосковыпуклые. Наиболее распространены выпуклые и выпукловогнутые склоны. Часто встречаются антропогенные формы рельефа: земляные насыпи дорог, карьеры, искусственные пруды. Водоразделы и склоны распаханы [69].

На территории Саратовской области в Правобережной зоне 38,1% пашни расположено на землях крутизной до 1, 44,3% - на склонах 1-3, 14,2% – на склонах 3-5 и 3,7% – более 5(таблица 1) [119,129].

Особенности климата Саратовского Правобережья, высокая расчлененность гидрографической сетью, преобладание склонов 1-3 способствуют возникновению водной эрозии почв.

Геоморфологическая характеристика природно-географических зон Лесостепная 827679 677067 179296 53462 33265 16466 10565 Устройство поверхности Нижнего Заволжья со времени работ почвоведов С.С. Неустерова, Л.И. Прасолова и А.И. Бессонова принято делить на четыре основные геоморфологические области: Общий Сырт, Сыртовую часть, Каспийскую равнину, и долины рек системы Волги и Узеней.

Севернее р.Б.Иргиз вдоль северной и северо-восточной административных границ Саратовской области лежит наиболее высокая и наиболее расчлененная часть территории Саратовского Заволжья – Высокая Сыртовая равнина, откуда поверхность постепенно и равномерно понижается с севера на юг и юго-запад. В южном направлении Высокая равнина переходит в более выровненную и менее расчлененную Южную Низкую Сыртовую равнину, а в западном и юго-западном подходит к долине р. Волги. Южная Сыртовая равнина в свою очередь еще менее заметно понижается в том же южном направление и то круто, то постепенно в виде уступа сливается с Каспийской низменностью.

Наиболее высокие участки в пределах Высокой Сыртовой равнины лежат в верховьях Малого и Большого Иргиза, где абсолютная высота местности достигает 160 и 170 м над уровнем моря. Наибольшая высота местности Сыртовой части в районе Иргиз-Узенского водораздела 115м, в южной части водоразделов Узеней и М.Узень-Еруслан ее высота падает до 70-60м.

Таким образом, падение от Высокой равнины до центральной части Южной Сыртовой равнины в среднем около 0,25-0,3м, а южнее 0,3-0,4м на километр.

При таком падение высот поверхность основных водораздельных массивов кажется совершенно ровной. Этот, в общем, ровный вид поверхности Заволжья нарушается наличием сравнительно густой сети речных долин, оврагов и балок. [189,190] Зона сухих степей в Саратовском Заволжье занимает значительные пространства к югу от р. Большой Иргиз до широты Новоузенска. На востоке сухие степи занимают лишь небольшую территорию вдоль южных границ Оренбургской области.

По строению поверхности Саратовское Заволжье в зоне сухих степей носит однообразный равнинный характер. Равнина расчленена речными долинами на ряд крупных водораздельных перевалов, придающих поверхности Сыртовой, полого-волнистый вид.

По направлению к югу высоты снижаются до 70-60м, водоразделы сильно расширяются и в южной части принимают вид плоских пространств.

К востоку, где границы саратовского Заволжья окаймляются южными отрогами Общего Сырта, высоты достигают до 181 метра.

Почвенный покров зоны характеризуется сравнительным однообразием. Господствующие положение занимают каштановые почвы. Они развиваются в условиях засушливого климата и, следовательно, в условиях пониженной биологической активности.[72,53].

Из почв каштанового типа наибольшим накоплением гумуса характеризуются темно-каштановые почвы (3,5-5%). Они обладают слабо выраженными солонцеватыми свойствами, в переходном горизонте имеют ясно выраженный подгоризонт белоглазки.

Наименьшим содержанием гумуса и наиболее выраженной дифференциацией почвенного профиля характеризуются светло-каштановые почвы (2%-3% гумуса).

В зоне каштановых почв Поволжья наиболее распространены как темно-каштановые почвы, так каштановые и светло-каштановые, последнее, однако лишь в комплексе с солонцами.

Наряду с темно-каштановыми почвами в северной половине водораздела рек Большого Иргиза–Малого–Узеня–Большого Узеня встречаются отдельные массивы южных черноземов, что подчеркивает переходной характер этой части зоны.

Черноземы южные занимают наиболее ровные плато водоразделов высотой 100-120м, где сток местных вод значительно затруднен. На северных и западных склонах сыртов черноземы южные встречаются и на меньших высотах.

По гранулометрическому составу черноземы южные, как темнокаштановые почвы, относятся преимущественно к тяжелым разностям и только по террасам р. Волги механический состав чаще всего средне суглинистый и супесчаный.

Для правобережных районов характерна местная географическая изменчивость почв в пространстве – интразональность.

На фоне большой мозаичности почвенного покрова, выделяются два основных подтипа почв Приволжской возвышенности: чернозем обыкновенный и чернозем южный, которые занимают 2399,9 тыс. гектаров или 51% от всех почв [187].

Более 90% площадей черноземных почв обладает низкой водопоглотительной способностью, и имеют глинистый и тяжелосуглинистый гранулометрический состав, вследствие чего они в большой степени подвержены смыву [158].

Черноземы южные в морфологическом отношении характеризуются небольшой мощностью гумусового горизонта (33-48 см) и заметным переходом от одного почвенного горизонта к другому почвенному горизонту [187].

Исследования Н.И. Усова показывают, что черноземы южные в Правобережной зоне Саратовской области обладают высокой концентрацией необходимых элементов для питания растений [187].

Черноземы южные характеризуются содержанием гумуса в почве от до 5%, и мощностью гумусового горизонта – до 51 см. Гумусные кислоты черноземов южных связаны с кальцием, что обеспечивает хорошую буферную способность почв и характеризуется широким отношением Сг.к.: Сф.к..

Запасы агрохимических элементов питания соответствуют содержанию запасов гумуса в почве. Процентное содержание валовых форм азота и калия характеризуется как среднее и высокое соответственно, а относительно подвижные микроэлементы, такие как бор, цинк и медь можно охарактеризовать для данных почв хорошей обеспеченностью [194].

Более 70% площади пашни этой зоны подвергаются эрозионным процессам. Содержание гумуса в почве на неэродированных черноземах составляет 4,6-5,4%, а на эродированных – 1,5-3,5% [127].

Таким образом, природно-климатические, геоморфологические и агропочвенные условия способствуют проявлению эрозионных процессов, что приводит к формированию по уровню плодородия почв интразональных почв.

Исследования проводились в рамках общей схемы почвенноэкологического мониторинга (рисунок 1) на тестовых полигонах (т.п.) №2 и 5, расположенных на черноземах обыкновенных(т.п. №2) и черноземах южных (т.п. №5) в Правобережье Саратовской области. В левобережной части тестовый полигон №6 размещался на темно-каштановых почвах и черноземе южном.

Тестовый полигон №2 расположен на территории ООО «ТВС-АГРО», бывшего колхоза им. Чапаева, в Аткарском районе. По геоморфологическому делению относится к району верхней поверхности денудации. Почвообразующими породами являются преимущественно лессовидные эллювиальноделлювиальные отложения продуктов выветривания мергелей, известняков, глин мелового и третичного возрастов. Морфологический облик рельефа определяется сочетанием различных по морфологии генетически неоднородных поверхностей: водоразделов, склонов и террас речных долин. Большое распространение имеют овражно-балочные формы рельефа. Здесь отмечается интенсивное проявление процессов водной эрозии. Поэтому верхние горизонты, как правило, обеднены илистой фракцией и соответственно элементами потенциального плодородия.

Рисунок 1 – Схема размещения тестовых (опытных) полигонов Почвенный покров в основном представлен черноземом обыкновенным средне- и маломощным среднегумусированым различного гранулометрического состава.

Тестовый полигон №5 размещается в экспериментальном хозяйстве ГНУ НИИСХ Юго-Востока на стационарном опыте. Морфологический облик рельефа определяется сочетанием водоразделов, склонов, овражно-балочных форм рельефа. Водоразделы развиты плоские, плоско-выпуклые, нередко на их поверхности встречаются денудационные останцы. Значительную площадь занимают склоны. Наиболее распространены прямые, вогнутые и выпуклые склоны. Почва – чернозем южный малогумусный маломощный легкоглинистый слабо-среднесмытый на делювиальных отложениях.

Тестовый полигон №6 располагается в Пугачевском районе Саратовской области на землях КФХ «Сарсенбаев Г.Т.», бывшего колхоза им. ХХII партсъезда КПСС, в области Сыртового Заволжья с сыртовыми глинами на водоразделе М. Иргиз - Б. Иргиз, представляющем из себя платообразную возвышенность с хорошо развитой овражно-балочной системой. Балки и овраги имеют чаще крутые и обрывистые берега со следами эрозионных процессов. Климат ландшафтной единицы, в которой размещена территория хозяйства резко континентальный.

По геоморфологическому делению данная территория относится к району Высокой Сыртовой равнины. Почвенный покров территории хозяйства представлен черноземом южным. Основными почвообразующими породами являются лессовидные суглинки хвалынские, сыртовые глины и древние делювиальные тяжелые суглинки.

Также тестовый полигон №6 размещен на правом берегу реки Б. Иргиз на территории ООО «Агрофирма «Рубеж», бывшего колхоза им. ХХ партсъезда КПСС. Хозяйство расположено в долине реки Б. Иргиз. Рельеф территории равнинный с сильно развитым микрорельефом в виде западинлиманов, всхолмлений и микропонижений.

Почвенный покров – представлен темно-каштановой маломощной малогумусной тяжелосуглинистой почвой. Мощность гумусового горизонта в пределах 27-30 см, вскипание карбонатов с 20-30 см. Гранулометрический состав тяжело- среднесуглинистый.

Исследования основных агрохимических характеристик потенциального плодородия почв рабочих участков Саратовской области проводились в соответствии с общепринятыми методическими указаниями.

Агрохимическое обследование пашни тестовых полигонов проводилось по разработанной в отделе «Экология агроландшафтов» методической разработке (заявка № 2012143564 от 11.10.2012 г).

Предлагаемый способ почвенно-агрохимического обследования сельскохозяйственных угодий осуществляют следующим образом. По каждому земельному участку сельскохозяйственного угодья, подлежащему агрохимическому обследованию, для составления проекта определяют координаты поворотных точек, формирующих конфигурацию обследуемого участка, по которым составляют карту обследуемого участка. На карту наносят проект профилей. В проекте профили намечают параллельно намеченному азимуту и на расстояниях между намеченными профилями, которые изменяются в зависимости от крутизны склона. На намеченных профилях согласно геоморфологической ситуации, намечают отрезки для отбора смешанных почвенных проб. Составляют каталог координат начала, окончания намеченных профилей и отрезков на них.

Отбор смешанных проб проводят в границах запроектированных профилей по намеченному направлению (азимуту) прохождения маршрута. При этом в полевых условиях по мере изменения геоморфологических признаков поверхности участка по направлению прохождения маршрута (увеличение крутизны склона, направления склона по отношению к основному маршрутному профилю, выход почвообразующих пород) производят наложения дополнительных отрезков (профилей) в ту или иную сторону от основного маршрута для уточнения прохождения границ контуров, которые будут выделены на основе полученных данных при прохождении основного маршрутного профиля. Число дополнительных профильных отрезков лимитируется напряженностью геоморфологической ситуации. Смешанные почвенные пробы отбирают равномерно по всей длине отрезков, намеченных на основном маршруте. При этом с использованием, например GPS навигатора и эклиметра, фиксируют на координатной основе начало и конец дополнительных наложенных отрезков профилей для получения уточняющих данных, полученных при прохождении основного маршрута.

После завершения отбора смешанных проб на обследуемом земельном массиве прокладывают контрольный маршрут, на котором намечают отрезки, причем направления, начало и окончания отрезков контрольного маршрута, зафиксированных навигационным оборудованием, определяют в зависимости от степени выраженности рельефа местности и выхода почвообразующих пород. С контрольного маршрута смешанные почвенные пробы отбирают равномерно по всей длине намеченных отрезков.

Смешанные почвенные пробы с основного маршрута и контрольные смешанные почвенные пробы анализируют по методикам агрохимического анализа [134].

В компьютерной программе создают карты «центров тяжести» («центр тяжести» – среднее значение координат между началом и окончанием отрезков, по которым отбираются смешанные почвенные пробы). После введения сопряженных атрибутивных почвенно-агрохимических данных, проводят их интерполяцию и формируют карту почвенно-агрохимических контуров.

Для определения достоверности выделенных пространственных границ контуров при сплошном обследовании на сформированную карту почвенноагрохимических контуров наносят с контрольных маршрутов «центры тяжести» и их атрибутивные почвенно-агрохимические данные, проводят их интерполяцию. На основании результатов интерполяции получают значения точек, которые характеризуют место прохождения пространственных границ почвенно-агрохимических контуров, полученных в результате прохождения контрольного маршрута.

Измеряют расстояния между точками, характеризующими место прохождения пространственных границ контура, выделенного при сплошном обследовании и точками характеризующими место прохождения пространственных границ контура, выделенного при контрольном маршруте. Линейными значениями замеров несовпадения границ при сплошном обследовании и контрольном маршруте определяют ширину коридора, которая характеризует достоверность прохождения пространственных границ почвенноагрохимических контуров.

Отбор проб при агрохимическом обследовании по новой методике осуществлялся 1 смешанная проба с площади 5 га.

В целом при выполнении научной работе использовали полевые, лабораторные, лабораторно-полевые, экспедиционные и статистические методы.

Исследования проводились в соответствии с методическими рекомендациями ГНУ НИИСХ Юго-Востока, ВНИИЗ и ЗПЭ, ВИУА, ГНУ ВНИИА, Гидрометеослужбы, почвенного института им. В.В. Докучаева, а также с учетом методических разработок Е.А. Дмитриева, Б.А. Доспехова, А.А. Роде, С.С. Соболева, Г.П. Сурмача, [48,50,158,174,183,184].

В опытах велись следующие наблюдения и исследования:

1. Запасы влаги в почве определись термостатно-весовым методом, с последующим пересчетом влажности на запасы продуктивной влаги в мм, в сроки: начало и конец вегетации, после уборки урожая и перед уходом в зиму - на первых вариантах, с двух типов севооборотов, на глубину 1,5 метра с интервалом 10 см в трехкратной повторности.

2. Питательный режим почвы. Почвенные образцы на содержание нитратного и аммиачного азота, подвижного фосфора и обменного калия отбирались буром Малькова на всех вариантах на глубину 40 см через каждые см по методике отбора почвенных проб по элементарным участкам поля в целях дифференцированного применения удобрений. Пробы отбирались до посева, в начале и конце вегетации, перед уходом в зиму. Место отбора проб привязано на координатной основе.

3. Общее и валовое содержание гумуса определялось по методу И.В.

Тюрина в модификации ЦИНАО по ГОСТ 26213-84. Содержание общего азота в почве – по методу Къельдаля. Нитратный азот (нитрификационная способность по Кравкову в модификации Болотиной и Абрамовой) в почвенных образцах определялся потенциометрическим методом на иономере; подвижный фосфор и обменный калий - в 1% углеаммонийной вытяжке по Мачигину по ГОСТ 26205-91.

4. Нитрифицирующая способность почвы – по методу Кравкова в модификации Почвенного института им. В.В. Докучаева – по разности в содержании нитратов в почве до и после инкубации почвы в благоприятных для процесса нитрификации условиях (280С, 60 % капиллярной влагоемкости, свободный доступ О2); нитратный азот (для расчета нитрифицирующей способности почвы) – фотоэлектроколориметрированием с дисульфофеноловой кислотой методом Грандваль-Ляжу.

5. Учет урожая зерновых культур по базовым контурам путем отбора снопов с площадки 0,25м2 в шестикратной повторности, а на стационарном опыте комбайном «Сампо». Урожай зерна приводился к 100%-ной чистоте и к 14%-ной влажности.

6. Определение содержание и качество клейковины (исследовались в лаборатории технологической оценки качества зерна сельскохозяйственных культур НИИСХ Юго-Востока) по ГОСТ 13586, 1-68.

7. Баланс азота – устанавливался расчетным путем по приходу с удобрениями, семенами, атмосферными осадками и азотофиксацией свободноживущими микроорганизмами (для азота), расход- по выносу с урожаем озимой пшеницы (зерно+солома) и газообразными потерями на денитрификацию.

8. Определение экономической и энергетической эффективности технологий возделывания культур выполнялось по временной методике ВАСХНИЛ и Россельхозакадемии и методике ВНИИЗ и ЗПЭ и УкрНИИЗ ПЭ.

9. Математическую обработку экспериментальных данных проводили методами корреляционного и дисперсионного анализа по Е.А. Дмитриеву (1972) и Б.А. Доспехову (1985) и компьютерных программ Word и Excel.

Часть расчетов выполнена с помощью универсального статистического пакета Agros.

10. Построение цифровых агрохимических карт полей выполнялось с использованием компьютерных программ: AutoCad, ArcView и Surfer.

11. При построении трехмерной модели местности были использованы результаты инструментальной съемки микрорельефа полученные при помощи электронного тахеометра ELTA R50 с привлечением компьютерной программы Surfer 10.0.

Базовым опытом для определения эффективности минеральных и органических удобрений на различных элементах рельефа послужил стационарный опыт (рисунок 2).

Рисунок 2– Схема размещения участков комплексного наблюдения за биосферными процессами в условиях экологической полосы Стационарный сертифицированный опыт расположен в «Экспериментальном хозяйстве» ГНУ НИИСХ Юго-Востока на склоне южной экспозиции крутизной 3-7°. Почва чернозем южный малогумусный маломощный легкоглинистый слабо- и среднесмытый на делювиальных отложениях [200].

Опытный агроценоз представлен двумя звеньями шестипольных полевых севооборотов (зернотравяной и зернопаровой) с чередованием культур – 1 севооборот: 3 года многолетние травы, 3 года яровая пшеница; 2 севооборот: пар, озимая пшеница, яровая пшеница, просо, 2 года яровая пшеница.

Все агротехнические мероприятия проводились согласно системе зональных общепринятых технологий возделывания культур на склонах.

Для оптимизации процесса питания под все возделываемые культуры, согласно схеме опыта (таблица 2) применяли следующие удобрения: азотные в дозах Naa34-68-102 и солома в дозах 1т+Nаа10 и 2т + Nаа20.

Таблица 2 – Схема опыта в стационарном опыте с севооборотами Схема опыта под зернопаровой севооборот Схема опыта под зернотравяный севооборот 1.Контроль без удобрений 1.Контроль без удобрений 1.Контроль без удобрений 1.Контроль без удобрений На участках с многолетними травами использовалась травосмесь: костер безостый + люцерна синегибридная. Норма высева травосмеси многолетних трав 13-17 кг/га. Посев трав производился под покров яровой пшеницы.

Наряду с травами в севооборотах возделывались озимая пшеница сорта Губерния, яровая пшеница сорта Воевода, Саратовская 70 и просо Саратовская 10.

Солому, независимо от вида севооборота вносили осенью при проведении основной обработки почвы, а минеральные удобрения – весной под озимую пшеницу в весеннюю подкормку, под яровую пшеницу и просо весной под предпосевную культивацию, а под многолетние травы перед началом их отрастания.

Делянки с удобрениями расположены в один ярус. В первом повторении размещение делянок последовательное, а в последующих – рендомизированное.

Для определения влияния различных элементов рельефа и уровня содержания в почве гумуса на эффективность удобрений в различных географических условиях (т.п. №2, 6, 9) были заложены краткосрочные опыты с азотным и комплексным удобрением по следующей схеме: аммиачная селитра Nаа34-68-102 и азофоска 32 кг. д.в. на 1 га (таблица 3).

Таблица 3 – Схема опыта по определению взаимосвязи урожайности озимой пшеницы с уровнями содержания гумуса в почве Чернозем обыкновенный (ООО «ТВС- Чернозем южный (каштановая зона КФХ АГРО»), уровни содержания гумуса «Сарсенбаев Г.Т.»), уровни содержания гумуса На всех опытах различные дозы удобрений вносили на строго отведенных делянках. Расположение делянок в опыте рендомизированное.

В опытах проводились наблюдения за динамикой питательных элементов, урожайностью и качеством озимой пшеницы.

Таким образом, набор сопутствующих наблюдений и разработанная схема опытов, а также исследования в различных географических условиях Саратовской области дают возможность получить данные эффективности удобрений на различных элементах рельефа, а также уровни взаимосвязи урожайности озимой и яровой пшеницы с содержанием гумуса в почве.

Глава 3. Основные экологические факторы формирования почвенно-агрохимических показателей в агроландшафте 3.1. Эрозионные процессы в период весеннего снеготаяния В процессе снеготаяния и выпадения ливневых осадков на поверхности поля в условиях выраженного по рельефу агроландшафта формируются временные потоки воды, которые смывают почвенный покров, при этом растворяют в себе питательные элементы из почвы и вместе с мелкоземом почвы распределяют их по фациям склона или выносят за пределы поля в гидрографическую сеть [203,105,72,113].

Особенности формирования стока талых вод на склонах различных экспозиций влияют на количественные потери питательных веществ и формирование интразональных зон обеспеченности почв агрохимическими показателями.

В ходе математической обработки на склонах северных экспозиций установлена тесная и прямая корреляционная зависимости между величиной смываемой в период стока почвы и стоком талых вод. Было установлено, чем выше величина стока талых вод, тем больше терялось питательных веществ из почвы. Коэффициент корреляции при математической обработке составил r= 0,76±0,17, который характеризуется уравнением регрессии Y = 1,708 + 3,174х.

Тесной взаимосвязи на южном склоне и в целом по водосбору между количеством смываемой почвы и величиной стока не установлено.

В период весеннего стока талых вод потери почвы, как правило, пропорциональны объему стока. Однако прямой закономерности между потерей мелкозема и стоком на водосборе не обнаружено.

Потери агрохимических элементов питания можно разделить на две группы. Потери валовых форм, которые смываются с твердым стоком, и потери подвижных форм с жидким стоком (водорастворимые). Водорастворимые (подвижные) формы элементов питания являются основными источниками питания растений, валовые являются резервом этих элементов. Потери валовых форм обусловлены, прежде всего, величиной смыва почвы (таблица 4).

Таблица 4 – Среднегодовые потери агрохимических элементов с твердым стоком на различных экспозициях склона, 3-5° (Данные предоставлены отделом «Экология агроландшафтов» ГНУ НИИСХ Юго-Востока за 1973 – 1995 гг.) Экспозиция Сток, Смыв, Потери валовых форм с твердым стоком, кг/га В результате процессов эрозионной деятельности на склонах водосбора (северной и южной экспозиции 3-5°) величина среднемноголетнетних потерь от смыва почвы составила 5,3 т/га. Ежегодные потери с почвой в валовой форме составляют: азота 0,96, фосфора 1,44, калия 10,8, кальция 19,3, магния 11,5 кг/га. Потери агрохимических показателей в валовой форме располагаются в следующем порядке: Ca, Mg, K, P, N. По обобщенным данным за 24 года склоны водосбора потеряли с одного гектара 262,3 кг магния, 252, кг калия, 441,7 кальция, 33,7 кг, фосфора, 119,7 т почвы, 378,4 кг гумуса и 21,8 кг азота.

Вместе с мелкоземом и в виде суспензии с жидким стоком почва теряет определенное количество гумуса и питательных элементов (таблица 5).

Таблица 5 – Вынос биогенных веществ с эрозионными стоками, кг/га (Данные предоставлены отделом «Экология агроландшафтов»

Вид потерь Склон южной экспозиции в результате водной эрозии терял ежегодно на 2,1 т/га почвы больше, чем склон северной экспозиции.

Экспозиция склона не оказала существенного влияния на относительное содержание в почве валовых форм агрохимических показателей (калия, фосфора, магния и кальция). Содержание этих питательных элементов в почве, без применения мелиорантов и удобрений, как правило, определяется генезисом почвы. Поэтому основной объем их миграции обусловлен абсолютными потерями почвы. Вследствие этого почва южного склона теряла основных элементов питания (фосфора, калия, кальция, магния) на 32,3% больше, чем северного.

3.2. Потери и поступление биогенных веществ в почву Считается, что в зоне черноземных почв преобладающей является водная эрозия, которая вызвана весенним стоком талых вод [174,175,90,91,105, 143,86]. Тенденция изменения климата в регионе проявляется в увеличении числа засух сильной интенсивности и значительном потеплении зим. Вероятность выпадения осадков ливневого характера возрастает в годы засух, а значит, возрастает и опасность развития ливневой эрозии [97]. Потенциальная угроза развития эрозии в летний период зависит, прежде всего, от поверхности поля, растительного покрова и деятельности человека, а так же суммы выпавших осадков.

Очаги эрозии формируются от осадков ливневого характера, образуя при этом поверхностный сток, что приводит к большим потерям питательных веществ, а небольшие летние осадки в основном поглощаются почвой.

Вследствие высокой водопроницаемости черноземных почв и их низкой влажности летом, ливневой сток могут вызвать только ливни большой продолжительности и интенсивности [86].

При увеличенном растительном покрове при обильных осадках снижается темп эрозионной деятельности [226,143,84,85,86]. По данным зарубежных ученых в летний период эрозия и сток на пастбищах с залесенной местностью или хорошим травостоем невелики, часто не более 5,0% и 1,0%, соответственно по сравнению с эрозией и стоком почвы лишенной растительного покрова [223].

Посевы кукурузы и озимой пшеницы, находящиеся в фазе трех листьев, и чистый пар, обладая небольшой водопроницаемостью, формируют большой сток при дождевании [223,113].

В условиях Поволжья на черноземных почвах при сумме осадков более 40 мм и интенсивности дождя 0,5 мм/мин, на озимых и парах возникает сток порядка 5 и 10 мм. При этом почвенный покров на склонах бывает смыт на глубину до 10 см, а у подножия склона аккумулируется большой конус мелкозема толщиной до 50 см.

По данным метеостанции «Саратов Юго-Восток» выявлена цикличность в виде двух полных 12 летних цикла с количественным повышением ливнеопасных дней. Наиболее выраженные циклы наблюдались в 1936- гг. и 1964-1976 гг. Третий цикл берет начало с 1990 год, и который продолжается по настоящее время. [113,96]. За период наблюдений с 1973 по год в районе проведения опытов, выпало 39 осадков с ливневым характером, из которых 19 с дальнейшим возникновением стока и эрозионного процесса почвенного покрова [164].

За период систематических наблюдений в 1972, 1979, 1988, 1992, 1995,2004,2011,2012 гг. по данным метеостанции «Саратов Юго-Восток»

ливневых осадков с дальнейшим проявлением эрозионных процессов не наблюдалось. Наиболее опасные по отношению к проявлению эрозии ливни наблюдались в следующие сроки: в июле 1974, августе 1976, июне 1984, 1985, 1987,2013 гг. с суммой осадков соответственно 67, 66, 18, 91, 27 мм и интенсивностью дождя 0,6-1,2 мм/мин.

При этом проявление эрозионных процессов на посевах ранних яровых и озимых культур не наблюдалось. На пахотных землях с увеличением густоты стояния растительного покрова уменьшаются размеры эрозионной деятельности [228]. Скорость развития эрозионных процессов при возделывании пропашных культур, когда они чистые от растительных остатков и сорняков выше, чем при возделывании зерновых культур [234].

Активность проявления эрозии можно разделить на временные периоды. Первый, менее активный период проявления эрозионной деятельности от ливней с 1973 по 1984 гг., потери в среднем на 1 га севооборотной площади из расчета на 6-польный зернопаровой севооборот составили 3,5 т/га (таблица 6).

Таблица 6 – Мониторинг потерь валовых форм питательных элементов в процессе проявления ливневой эрозии (1973 – 2013гг., данные предоставлены лабораторией «Агроландшафтов и ГИС» ГНУ НИИСХ Юго-Востока) Временные пена 1 га сево- риоды Примечание: * - числитель – всего; знаменатель – в среднем за год Вместе с твердым стоком почвы за пределы поля мигрировали элементы как потенциального, так и эффективного плодородия. Проведенный расчет потерь агрохимических показателей с твердым стоком в период проявления ливневой эрозии выявил их определенную временную закономерность.

Для расчетов потерь агрохимических показателей были приняты усредненные за время проведения наблюдений показатели содержания в почве гумуса (3%), валовых форм; азота (0,152%), фосфора (0,128%) и калия (1,92%).

На первом этапе наблюдений (1973-1984 гг.) в среднем за год потери питательных элементов из расчета на 1 га севооборотной площади соответственно составили: гумуса 105 кг, азота 5,3, фосфора 3,5, калия 6,7 кг/га.

На втором этапе наблюдений (1985-1995 гг.) ежегодные потери увеличились, гумуса на 34,3%, общего азота 34%, фосфора на 71%, калия на 34,3%.

Выявленная временная интенсификация потерь элементов плодородия почв в процессе ливневой эрозии сохранилась во все последующие периоды наблюдений.

В среднем за 40 лет ежегодные потери почвы от ливневой эрозии составили 4,7 т/га. При этом суммарные потери элементов плодородия с твердым стоком составили, 290,8 кг калия, 194 кг фосфора, 230 кг азота и 454, кг/га гумуса. Около 7,0% на многолетних травах, 22,0% –на пропашных и более 70% всех потерь наблюдались на паровых полях, и в год посева и на поздних яровых.

Одной из основных причин временного роста потерь почвы и питательных элементов – это, прежде всего, интенсификация сельскохозяйственного использования почвы, а также прекращение внесения органических удобрений и вывода многолетних трав из полевых севооборотов, что отрицательно отразилось на противоэрозионной устойчивости почв.

В течение всего года выпадают атмосферные осадки различной интенсивности. Наблюдения показали, что в среднем за 24 года наблюдалось осадков с объемом дождя > 5 мм.

Атмосферные осадки – основа почвенного раствора, без которого почва не может выполнять своих жизненно необходимых функций. Выпавшие осадки растворяют минеральные вещества в почве и за счет объема поступающих осадков, происходит регулирование концентрации почвенного раствора [78,121].

Частичное пополнение потерь питательных веществ из почвы в процессе эрозии происходит за счет поступления в почву вместе с дождевыми осадками питательных элементов.

Длительный мониторинг за качественным составом атмосферных осадков в стационарном опыте (1989-2013 гг.) выявил заметные колебания в объеме поступлении их на почву (таблица 7).

Таблица 7 – Среднегодовое поступление с атмосферными осадками химических ингредиентов в почву, кг/га (1989-2013 гг., данные предоставлены лабораторией «Агрометеорологии» ГНУ НИИСХ Юго-Востока) В среднем за Качество и количество выпавших осадков играют большую роль в формировании, как продуктивности возделываемых культур, так и плодородия почвы.

Сформированная водно-воздушно-пылевая смесь, периодически поступая на почву в виде атмосферных осадков, может оказывать как положительное, так и негативное влияние на концентрацию и состав почвенного раствора. Состав атмосферной смеси влияет на продуктивность сельскохозяйственных культур и почвенную экологию в целом [118].

В среднем за 24 года с жидкими осадками в виде дождей на поверхность почвы поступило36,3 кг/га минерального азота, 6,1 кг фосфора, 48 кг калия, 117 кг кальция и 52 кг магния. Максимальная концентрация питательных элементов в дождевых осадках отмечалась на первом этапе наблюдений (1889-1994 гг.). В последующем содержание азота, фосфора, калия и других элементов в жидких осадках постепенно уменьшалось. По-видимому, это обусловлено снижением обеспеченности почвы питательными элементами и сокращением выбросов промышленными предприятиями.

Таким образом, на формирование депо питательных элементов в почве определенное влияние оказывают активность эрозионных процессов, а также уровень плодородия почв и загрязнения атмосферных осадков. Количество химических компонентов в атмосферных осадках регулируется, прежде всего, ветровой эрозией и промышленными выбросами. Поступление в почву с атмосферными осадками элементов питания для растений не компенсирует потери почвы и элементов питания с эрозионными процессами.

3.3. Влияние рельефа на внутрипочвенное перераспределение почвенно-агрохимических показателей в агроландшафте Под влиянием глобального изменения климата в зимний период формируются более высокие запасы снега, а частые зимние оттепели способствуют быстрому устранению промерзшего слоя почвы. К началу снеготаяния в современных условиях почва готова к пропуску снеговой воды вглубь почвы [137].

Аккумулированные почвой в период снеготаяния зимние осадки под действием физических законов (всемирного тяготения) перемещаются как вглубь почвы, так и по уклонам в сторону гидрографической сети от водораздельной до аккумулятивной фации агроландшафта. В настоящее время 70запасов снеговой воды усваиваются почвенной системой. Перемещаясь по профилю почвы в вертикальном и горизонтальном направлениях, атмосферные осадки насыщаются за счет выщелачивания из почвы различными химическими ингредиентами [137].

Распределение влаги и содержащихся в ней питательных элементов подчиняется, прежде всего, крутизне склона, а также особенностям гранулометрического состава почвы [137].

Потери питательных элементов образованных в процессе минерализации гумуса и миграции продуктов минерализации (нитратного азота, подвижных форм фосфора и калия) со снеговой водой проникают вглубь почвы, эта одна из основных причин снижения гумуса в почве и деградации почвенного покрова. Темпы потерь питательных элементов определятся как объемом миграции в почву снеговой воды, так и геоморфологическими условиями участка, его гранулометрическим составом. Особенно высокой миграционной способностью отличается нитратный азот.

Проведенный систематический в течение года фациальный анализ состояния запасов нитратного азота в 1,5м слое почвы на положительных и отрицательных элементах рельефа выявил определенные особенности их накопления и трансформации в почвенном профиле (таблица. 8, рисунок. 3, приложение 4).

Таблица 8 – Вертикальная и горизонтальная миграция питательных элементов Глубина, см Влага, NO3, P2O5, K2O, Влага, NO3, P2O5, K2O, Влага, NO3, P2O5, K2O, мм мг/кг мг/кг мг/кг мм мг/кг мг/кг мг/кг мм мг/кг мг/кг мг/кг 20- 50- Запасы питательных элементов 1,5м слоя почвы в зависимости от наступления процесса снеготаяния определялись: 1-й срок перед началом снеготаяния (11 марта), 2-й срок после окончания процесса снеготаяния (5 апреля), 3-й срок через 1 месяц после окончания процесса снеготаяния (6 мая), 4-й срок – 5 июня, 5-й срок – 19 июля.

Питательные элементы, находящиеся в почве в зависимости от их химической природы находятся под постоянным давлением передвижения влаги в почве.

Наиболее активно агрохимические элементы мигрируют в периоды активного поступления влаги в почву. Наряду с фактором влаги на уровень содержания нитратного азота в почве большое влияние оказывают рельеф территории и времена года.

За точку отчета мониторинга агрохимических показателей в почве, было принято их содержание в 1,5 м слое почвы перед началом снеготаяния.

В начале периода снеготаяния основные запасы нитратов и свободной влаги в 1,5 м слое почвы водораздельной фации были сосредоточены в слое 10-60 см и составили соответственно 61% и 50% от их запасов 1,5-метрового слоя почвы. Дополнительное поступление снеговой воды в почву в период снеготаяния привели к перераспределению нитратов по профилю почвы.

К концу периода снеготаяния запасы свободной влаги в 1,5-метровом слое увеличилось на 30,3%, а нитратов – на 20,5%. Если максимальное содержание нитратов перед началом снеготаяния определялось в слое 20- см, то после окончания снеготаяния в слоях 50-150 см.

Рисунок 3 – Миграция нитратов во времени по профилю почвы на различных элементах рельефа 2011-2013 гг., т.п №5 – чернозем южный Через месяц (5 июня), в результате продолжающегося движения свободной влаги вниз по профилю почвы ее количество по сравнению с 2 сроком (конец снеготаяния) уменьшилось на 43,3 мм или на 61%. Однако количество нитратов в среднем по 1,5 м слою почвы увеличилось всего лишь на 3,6 мг/кг или на 26%.

Распределение нитратов по почвенным горизонтам указывает на продолжающеюся их миграцию в глубь почвы и, по-видимому, за пределы 1,5 м слоя почвы в грунтовые воды.

Активное перемещение влаги в период снеготаяния и последующего ее перемещения по профилю почвы и содержащих в ней нитратов не позволило выявить устойчивого коэффициента корреляции между ними.

Склон оказал заметное влияние на закономерность горизонтального и вертикального перемещения влаги и нитратов в 1,5 м слое почвы (таблица 9).

В начале периода снеготаяния наибольшее содержание нитратов наблюдалось на средней фации, наименьшее содержание на верхней фации склона. Среднее положение по содержанию нитратов занимает нижняя часть склона и составляет 62,3 мг/кг. Основное содержание нитратного азота на средней фации склона наблюдалось в слое 0-60 см и составляло 69% от запасов азота 1,5-метрового слоя.

Таблица 9 – Матрица корреляционной зависимости между запасами свободной влаги в почве и содержанием в ней нитратного азота Примечание: I –начало снеготаяния, II – конец снеготаяния, III –через 3 месяца после снеготаяния В верхней части склона азот накапливался в слое 30-50 см и составлял 49% от запасов 1,5-метрового слоя почвы. В нижней части склона основное содержание азота наблюдалось в слое 0-60 см и составляло 69% от запасов 1,5-метрового слоя. В начале периода снеготаяния практически не выявлено устойчивой связи между свободной влагой и содержанием в ней нитратов.

В конце периода снеготаяния, за счет миграции с почвенной влаги в нижней и верхней частях склона, отмечается снижение содержания азота соответственно на 37 и 8%, а в средней части, соответственно, увеличение на 9%.

При этом прямой коэффициент корреляции между нитратным азотом и запасами влаги в 1,5 м слое почвы выявлен на средней части склона (r=0,9) и отрицательный (r=-0,97) – на нижней части склона, что указывает на активное накопление нитратов в результате внутрипочвенного перемещение свободной влаги вниз по склону.

В первой декаде июня, по сравнению с майскими запасами, наблюдалось переформирование содержания нитратов, как по слоям почвенного профиля, так и по длине (фациям) склона. Так, в слое 50-150 см нижней фации склона количество нитратов увеличилось на 15%, а в слое 0-50 снизились на 19%.