Автореферат (Повышение плодородия малопродуктивных и деградированных почв удобрительно-мелиорирующими смесями на основе сапропелей)

На правах рукописи

0000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000

Хохлова Ольга Борисовна

ПОВЫШЕНИЕ ПЛОДОРОДИЯ

МАЛОПРОДУКТИВНЫХ И ДЕГРАДИРОВАННЫХ ПОЧВ

УДОБРИТЕЛЬНО-МЕЛИОРИРУЮЩИМИ СМЕСЯМИ

НА ОСНОВЕ САПРОПЕЛЕЙ

Специальность: 06.01.02 - мелиорация, рекультивация и охрана земель

(сельскохозяйственные науки)

автореферат

диссертации на соискание ученой степени

доктора сельскохозяйственных наук

Москва – 2007

Работа выполнена в отделе природоохранных технологий Государственного научного учреждения Всероссийский научно-исследовательский институт гидротехники и мелиорации им А.Н. Костякова (ГНУ ВНИИГиМ)

Россельхо­закадемии

Научный консультант: доктор технических наук, профессор

Кирейчева Людмила Владимировна

Официальные оппоненты: доктор сельскохозяйственных наук,

профессор Зайдельман Феликс Рувимович

доктор сельскохозяйственных наук,

профессор Мерзлая Генриэта Егоровна

доктор сельскохозяйственных наук,

доцент Головатый Валентин Григорьевич

Ведущая организация: ФГОУ ВПО «Нижегородская государственная

сельскохозяйственная академия»

Защита состоится 24 мая в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 006.03801 во Всероссийском научно-исследовательском институте гидротехники и мелиорации им. А.Н. Костякова по адресу: 127550, Москва, ул. Б. Академическая, 44.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГНУ ВНИИГиМ

им. А.Н. Костякова.

Автореферат разослан «______» апреля 2007 года.

Ученый секретарь

диссертационного совета,

доктор технических наук Исаева С.Д.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Почва является одним из национальных богатств госу­дарства и относится к важнейшим стратегическим природным ресурсам. Ис­торический опыт развития цивилизации показывает, что от состояния поч­венного плодородия напрямую зависит расцвет и упадок любого государства. Снижение плодородия почв является проблемой не только государственной, но и общечеловеческой. По оценкам Международ­ной орга­низации ФАО около 70% площади суши земного шара представлены мало­продуктивными угодьями, производительность ко­торых ограничена поч­венно-климатиче­скими, рельефными или хозяйствен­ными условиями. Увеличиваются потери продуктивных почв мира. За последние 50 лет общая площадь продуктивных почв уменьшилась на 300 млн. га, а коли­чество утраченного в результате процессов дегумификации органического углерода составило 38 млрд. т. (Г.В. Доброволь­ский, 2000). Решение продоволь­ственной проблемы невоз­можно без вовлечения в сельскохозяйственное производство природных ма­лопродук­тивных и деградированных почв.

Для эффективного использования деградированных почв требуется система мелиоративных мероприятий по расширенному воспроизводству почвенного плодородия, основанная на восстановлении их свойств, в том числе за счет восполнения утраченной энергии. Антропогенное вмешательство изменяет направленность потоков энергии, нарушая сложившееся равновесие в природных биологических системах. Основными источниками энергии и питательных веществ, вносимых в почву, являются органические удобрения, торф, сидераты, осадки сточных вод, пресноводные сапропели. Все они содержат аккуму­лированную солнечную энергию, которая в почве может трансформиро­ваться в энергию почвенного гумуса, что позволит повысить продуктив­ность земель. В нашей стране наименее востребованными источниками органического вещества являются пресноводные сапропели. Запасы энергии, аккумулированной в органическом веществе сапропелей России (4-8·10¹⁶ кДж), сопоставимы с суммарной энергией гумуса пахотных почв нашей страны (6·10¹⁶ кДж). В настоящее время в озерах гумидной зоны идет ак­тивное сапропелеобразование и, следовательно, накопление энергии, утерян­ной почвами водосборных территорий в результате деградационных процес­сов. Структура и состав сапропелей позволяют ис­пользовать их в качестве удобрений и мелиорантов, оказывающих длитель­ное положительное влияние на основные агрохимические и агрофизические свойства почвы. Воспроизводство почвенного плодородия представляет собой систему целенаправленных мелиоративных и агротехнических воздействий и является актуальной проблемой современности.

Цели и задачи исследований. Целью настоящих исследований является раз­работка мелиоративных мероприятий по повышению плодородия малопродуктивных и де­градированных почв за счет восстановления их вещественно-энергетического состояния сапропелями и смесями на их основе.

Для реализации цели были поставлены следующие за­дачи:

- выполнить анализ состояния почв России и рассмотреть подходы к оценке их продуктивности;

- изучить состав и свойства сапропелей как потенциального вещест­венно-энергетического источника для восстановления малопродуктивных и деградированных почв;

- разработать методику расчета энергетического потенциала органиче­ского вещества почв, органических удобрений и мелиорантов;

- оценить энергетическое состояние почв различной степени деграда­ции и энергетическую эффективность органических и органоминеральных удобрений;

- обосновать компонентный состав удобрительно-мелиорирующих смесей на основе сапропелей для восстановления и расширенного воспроиз­водства плодородия почв;

- разработать способ приготовления и внесения удобрительно-мелио­рирующих смесей в почву;

- оценить влияние удобрительно-мелиорирующих смесей на повыше­ние почвенного плодородия и урожайность с/х культур в натурных условиях.

Методология и методика исследования. Исследования базировались на анализе литературных и фондовых материалов с использованием систем­ного подхода и включали теоретические разработки, лабораторные и натур­ные эксперименты. В качестве теоретических предпосылок были использо­ваны классические учения о почве, почвообразовательных процессах, поч­венном плодородии В.В. Докучаева, В.И. Вернадского, Н.М. Сибирцева, П.А. Костычева, В.Р.Вильямса, В.А.Ковды, Б.Г. Розанова; о почвенном гумусе и концепции гумусообразования М.М. Кононовой, Л.И. Александровой, Д.С. Орлова и др. Работа базировалась на исследованиях состава и свойств са­пропелей Н.В. Кордэ, М.З. Лопотко, В.Н. Сукачева; работах по термодина­мике открытых систем И.Р. Пригожина и Г. Николиса; энергетике почвооб­разовательных процессов В.Р. Волобуева; энергетической характеристике почвенного гумуса И.В. Тюрина, С.А. Алиева; на законах превращения энер­гии в биологических системах В.А. Энгельгардта, В.П. Скулачева и др.

Исследования проводились на дерново-подзолистых почвах, оподзоленных черноземах, почвах выработанных торфяников, сапропе­лях 16 озер РФ, гуминовых веществах сапропелей, удобрительно-мелиори­рующих смесях на основе сапропелей и торфа по классическим агрохимиче­ским методикам. Кислотно-щелочная буферность почв определялась методами С. Аррениуса и П.П. Надточия. Для определения химических свойств сапропелей и смесей использовались классические и инструментальные химические методы исследо­ваний (ИК-спектроскопии, пиролитической масс-спектрометрии, нейтронной активации). Из биологических методов исследований применялись метод проростков и метод водных культур. В силу специфики озерных илов некоторые методы почвенного анализа были адаптированы для сапропелей.

Натурные исследования по испытанию новой удобрительно-мелиори­рующей смеси осуществлялись на базе Мещерского филиала ГНУ ВНИИГиМ и АОЗТ «Малинищи» в Рязанской области; опыты по определению длительности мелиорирующего действия сапропеля проводились на землях совхоза «Мичуринский» Ростовского района Ярославской области и Идрицкого совхоза-техникума Пустошкинского района Псковской области. Обработка результатов экспериментов осуществлялась с помощью методов математиче­ской статистики.

Научная гипотеза. Применение системы целенаправленных мелиоративных и агротехнических воздействий, обеспечивающих повышение вещественно-энергетического состояния почвы и активизацию процессов гумификации, позволит обеспечить расширенное воспроизводство почвенного плодородия.

Научная новизна работы. На основе теоретических обобщений и ана­лиза результатов исследований впервые предложен теоретический подход к оценке энерге­тического состояния почв и разработана методика расчета энергии органи­ческого веще­ства почвы и органических удобрений на основе элементного состава и термодинамики сопряженных реакций при биологическом окислении органического субстрата (биоэнергетический потенциал органического вещества).

Предложена концептуальная модель воспроизводства почвенного плодородия, основанная на повышении вещественно-энергетического потенциала почвы и активизации процессов гумификации с использованием новых удобрительно-мелиорирующих смесей на основе карбонатного сапропеля.

Выявлены отличительные особенности гумификации органического вещества пресноводных са­пропелей, обеспечивающие при внесении их в почву длительность мелиорирующего действия и формирование почвенного гумуса. Показано положительное влияние кислотно-щелочных буферных свойств сапропелей на гомеостаз и эколо­гическую устойчивость почв.

Рассчитан биоэнергетический потенциал гуминовых веществ различных типов почв и выявлены закономерности его влияния на состав почвенного гумуса.

Изучены состав и свойства пресноводных сапропелей как резервного источника почвенного гумуса и энергии для восстановления плодородия деградированных почв.

Предложен компонентный состав и методика получения удобрительно-мелиорирующих смесей на основе пре­сноводных сапропелей для рас­ширенного воспроизводства почвенного плодородия.

Дана оценка влияния удобрительно-мелиорирующих смесей на увеличение энергии почвенного гумуса и повышение почвенного плодородия в натурных условиях.

На защиту выносится:

- новый термодинамический подход к решению проблемы расширенного воспроизводства почвенного плодородия комплексом мелиоративных и агротехнических воздействий путем повышения вещественно-энергетического состояния почвы и активизации процессов гумификации на основе определения энергии химических связей органического вещества;

- методика расчета биоэнергетического потенциала органического вещества на основе стехиометрии сопряженных реакций в процессах биологического окисления и синтеза аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ);

- закономерности зонального изменения биоэнергетического потенциала гуминовых веществ и соотношения энергии гуминовых (ГК) и фульвокислот (ФК) в почвенном гумусе.

- структурно-генетические особенности органического вещества и орга­номинеральных комплексов сапропелей, обеспечивающие при внесении их в почву длительность ме­лиорирующего действия и процесс гумусообра­зования;

- компонентный состав и методика приготовления эффективных удобрительно-мелиорирующих смесей на основе сапропелей, для повышения почвенного пло­дородия.

Практическая значимость. Энергетическая оценка почвенного гумуса позволяет более объективно оценить продуктивность биоценоза и по элементному составу органических молекул определять энергетическую ценность почвенного гумуса и органических удобрений.

Применение разработан­ных удобрительно-мелиорирующих смесей является агромелиоративным мероприятием и способствует восстановлению плодородия деградированных почв, повыше­нию их продуктивности и улуч­шению экологической ситуации на землях сельскохозяйственного назначе­ния. Разработанный технологический регла­мент приготовления удобрительно-ме­лиорирующих смесей даст возможность по­лучать на базе местного сырья и агроруд новые экологически безопасные органоминеральные удобрения. Результаты исследований были положены в основу составления методиче­ских рекомендаций: «Использование сапропе­левых отложений для восста­новления деградированных почв и коренного улучшения малопродуктивных песчаных почв», ВНИИГиМ, 2000; «Методические реко­мендации по созданию эффективных органоминеральных смесей, обеспе­чивающих комплексное воздействие на почву», ВНИИГиМ, 2001, «Очистка и детоксикация почв от тяжелых металлов», ВНИИГиМ, 2002, «Методические рекомендации по мероприятиям для пре­дотвращения и ликвидации загрязне­ния агроландшафтов тяжелыми метал­лами», 2005г. Внедрение результатов работы осуществлялось в ОПХ Мещерского филиала ВНИИГиМ на участке «Тинки -2» и АОЗТ «Малинищи» Пронского района Рязанской области; при малообъ­емном способе выращивания тепличных овощей на базе ГУСП «Дубки» Ярославской области; в совхозе «Мичуринский» Ростовского района Ярослав­ской области.

Личный вклад автора состоит в обобщении и анализе литературных и фондовых материалов, проведении исследовании состава и свойств сапропелей. Автором проведены теоретические исследова­ния по разработке способов повышения продуктивности почв; по выявлению особенностей гумификации органического вещества сапропелей; по разра­ботке методики расчета энергии органического вещества почв и удобрений. Разработан термодинамический подход к энергетической оценке состояния почв и повышению почвенного плодородия. Выполнены лабораторные исследования агрохимических свойств почвы и химических свойств сапропелей; фракционирование гуминовых веществ сапропелей; определение биологиче­ской активности сапропелей модифицированным методом проростков и ме­тодом водных культур. При личном участии автора проводились натурные экспери­менты в Рязанской и Ярославской областях по определению эффективности удоб­рительно-мелиорирующей смеси и длительности мелиорирующего действия сапропелей.

Апробация результатов диссертационной работы. Основные резуль­таты исследований были доложены на III съезде Докучаевского общества почвоведов (Суздаль, 2000) , на 2-ой Международной конференции «Дожде­вые черви и плодородие» (Владимир, 2004), Международной научной конфе­ренции ВНИИГиМ «Экологические проблемы мелиорации» (Москва, 2002), Юбилейной конференции ВНИИГиМ «Мелиорация и окружающая среда» (Москва, 2004), III Всероссийской конференции «Гуминовые вещества в био­сфере» (С.-Петербург, 2005), секциях ученого совета ВНИИГиМ 2000, 2001, 2002, 2007гг, Международной конференции «Удобрения натуральные орга­нические и минеральные» г. Свиноуйсьце (Польша) 2006г, семинаре по теоретическим проблемам почвоведения МГУ, Москва, 2007г.