THE CHANGE DYNAMICS OF ACIDITY AND HUMUS CONTENT IN AGRICULTURAL AND FORMER AGRICULTURAL SOILS OF VLADIMIR OBLAST

ДИНАМИКА ИЗМЕНЕНИЯ КИСЛОТНОСТИ И СОДЕРЖАНИЯ ГУМУСА В АГРАРНЫХ И ПОСТАГРАРОГЕННЫХ ПОЧВАХ ВЛАДИМИРСКОЙ ОБЛАСТИ

Научная статья

Курочкин И.Н.^1, *, Чугай Н.В.²

¹ ORCID: 0000-0002-0405-2225;

^{1, 2} Владимирский государственный университет им. А.Г. и Н.Г. Столетовых, Владимир, Россия

* Корреспондирующий автор (ivan33vl[at]yandex.ru)

Аннотация

В работе приводятся результаты оценки изменения содержания органического вещества и уровня кислотности на почвах сельскохозяйственных угодий и постагрогенных почвах Владимирской области. В работе использован бассейновый подход, благодаря чему оценивалась территория области в пределах речного водосборного бассейна Клязьмы – основной водной артерии близлежащих областей. На основе статистической обработки информации, применения ГИС-технологий и экспериментальных данных, полученных в ходе полевых исследований, установлены территории с наиболее значительным изменением показателей плодородия почв за последние десятилетия. Прослеживается тенденция к деградации почв при их выводе из сельскохозяйственного оборота – при прекращении внесения удобрений уровень кислотности достаточно быстро возвращается к исходному. Содержание же органического вещества на залежных почвах уменьшается лишь в первые 3-6 лет с момента прекращения ведения сельского хозяйства, после чего почва уплотняется, что приводит к образованию дернины и постепенному накоплению гумуса.

Таким образом, для уменьшения последствий деградации почв и нарушения тенденции снижения органического вещества на постаграрогенных почвах, необходимо повсеместное восстановление системы известкования почв в комплексе с внесением минеральных удобрений.

Ключевые слова: деградация почв, плодородие почвы, кислотность, гумус, тяжёлые металлы, бассейн реки Клязьма.

THE CHANGE DYNAMICS OF ACIDITY AND HUMUS CONTENT IN AGRICULTURAL AND FORMER AGRICULTURAL SOILS OF VLADIMIR OBLAST

Research article

Kurochkin I.N.^1, *, Chugay N.V.²

¹ ORCID: 0000-0002-0405-2225;

^{1, 2} A. G. and N. G. Stoletov Vladimir State University, Vladimir, Russia

* Corresponding author (ivan33vl[at]yandex.ru)

Abstract

The article presents the results of assessing changes in the content of organic matter and the level of acidity in the soils of agricultural land and the soils of former agricultural use in Vladimir Oblast. The research uses a basin approach to assess the territory of the region within the Klyazma drainage basin, which is the main waterway of the surrounding federal subjects. Based on statistical processing of information, the use of GIS applications and experimental data obtained in the course of the field research, the study identifies the territories with the most significant changes in soil fertility indicators over the past decades. The soils display a tendency to degradation when they cease to be used for agricultural purposes – when fertilizers are stopped, the acidity level quickly returns to its original level. The content of organic matter on fallow soil decreases only in the first 3-6 years after the cessation of agriculture activities, the soil is then compacted, which leads to the formation of sod and the gradual accumulation of humus.

Thus, in order to reduce the consequences of soil degradation and disrupt the trend of organic matter reduction in the soils of former agricultural use, it is necessary to restore the liming system of soils with the introduction of mineral fertilizers.

Keywords:  soil degradation, soil fertility, acidity, humus, heavy metals, Klyazma drainage basin.

Введение

С конца XX века повсеместно на территории Владимирской области наблюдается тенденция к сокращению доли пашен в структуре земельных угодий и увеличению доли залежных почв. Подобные изменения в структуре землепользования приводят к тому, что средний уровень кислотности по области изменился более чем на 0,2 ед. pH. Кроме того, наблюдается тенденция к снижению уровня плодородия [3]. С 2005 по 2018 гг. доля пахотных земель во Владимирской области сократилась на 8,6 тыс. га и продолжает снижаться [4].

Широкое применение минеральных удобрений и химических мелиорантов в сельском хозяйстве, начиная с конца 1960-х гг. привело улучшению показателей плодородия почв и, соответственно, повышению урожайности [5], [6], [7].

В работах многих авторов отмечается, что наиболее важное значение в снижении кислотности почв до показателей, приемлемых для успешного ведения сельского хозяйства, имеет процесс известкования – внесения калцие- и магниесодержащих препаратов [8], [9]. При этом происходит переход питательных веществ в состояние, при котором они становятся доступными для растений, при этом снижается подвижность содержащихся в почве тяжёлых металлов и радионуклидов [10], [11], [12].

Целью данного исследования является оценка динамики изменения содержания органического вещества, агрохимических показателей и уровня кислотности почв Владимирской области в пределах речного бассейна Клязьмы как вовлечённых в сельскохозяйственный оборот, так и постагрогенных.

Материалы и методы исследования

В работе нами были использованы экспериментальные данные, полученные в ходе выездных полевых исследований. Кроме того, проводилось сравнение экспериментальных данных со статистическими, полученными в ходе ежегодного обследования почв Центром агрохимической службы.

На территории речного бассейна Клязьмы преобладают среднегумусированные дерново-подзолистые почвы разной степени оподзоленности, чередующиеся с болотно-подзолистыми и болотными почвами на северо-востоке изучаемой территории [13], [14], [15]. В центральной части бассейна, в Суздальском и Юрьев-Польском районах Владимирской области, в небольшом количестве встречаются серые лесные почвы, составляющие до 4-5% общей площади почв речного бассейна [16].

Типы почв в настоящем исследовании указаны в соответствии с Классификацией почв СССР 1977 года.

Отбор почвенных образцов проводился в соответствии с ГОСТ 17.4.4.02-84. Процентное содержание гумуса при проведении исследования определялось по методу Тюрина, который основан на окислении органического вещества хромовой кислотой до образования углекислоты.

Определение кислотности образцов почв проводили по ПНДФ 14.1:2:34.121-97. Определение содержания тяжёлых металлов в почвах проводилось рентгенофлуоресцентным методом. Методика рентгенофлуоресцентного анализа предназначена для измерений массовой доли (валового содержания) металлов и оксидов металлов в порошковых пробах почв рентгенофлуоресцентным методом на приборе Спектроскан-МАКС, что позволит сделать вывод об антропогенном загрязнении постагрогенных почв.

Результаты и обсуждение

В ходе исследования были определены основные показатели плодородия почв и проведена обработка статистических данных. Экспериментально полученные данные представлены в таблице 1.

 

Таблица 1 – Содержание гумуса, кислотность и концентрации тяжёлых металлов в исследуемых почвенных образцах

№	Местоположение	Гумус, %	Кислотность солевой вытяжки, pH	Концентрация тяжёлых металлов, мг/кг
				Pb	As	Zn	Cu	Ni
1	Ковровский р-н, 300 м к Ю от д. Анохино	2,7	4,69	82,4	12,4	42,4	39,8	21,0
2	Ковровский р-н, 500 м к Ю от д. Анохино	3,24	5,75	64,7	9,7	49,9	53,1	30,8
3	Ковровский р-н, 200 м к Ю от д. Анохино	3,33	6,55	97,6	15,2	78,7	65,6	26,4
4	Вязниковский р-н, 1 км к ЮЗ от д. Пивоварово	4,6	5,44	60,5	7,6	72,2	93,7	45,4
5	Вязниковский р-н, 1,5 км к СВ от ст. Сарыево	3,49	4,35	91,9	12,4	48,5	36,2	15,7
6	Вязниковский р-н, 1 км к З от д. Перово	3,64	6,48	92,6	17,0	57,3	22,0	27,6
7	Вязниковский р-н, 200 м к С от д. Кудрявцево	3,96	5,95	68,1	10,1	79,9	111,2	48,6
8	Собинский р-н, 500 м к С от д. Березники	0,7	3,9	62,2	9,5	55,5	0,02	16,6
9	Собинский р-н, 1 км к З от д. Ермонино	2,88	6,18	83,0	11,7	25,5	4,3	13,4
10	Собинский р-н, 100 м к З от д. Новино	3,31	6,1	69,4	10,9	110,3	128,0	58,6
11	Александровский р-н, 1 км к Ю от пос. Майский	0,96	5,89	51,7	2,9	80,2	119,7	55,3

 

В ходе исследования было установлено, что наиболее высокие показатели pH наблюдаются в Собинском районе с преобладанием торфяно-подзолистых глеевых почв. Там же наблюдается и наименьший уровень гумуса. На слабокислых почвах Вязниковского района, на правобережье Клязьмы, содержание гумуса составило более 4%, что, по многолетним статистическим данным, является нехарактерным для этой территории. Скорее всего, это связано с тем, что в 1960-70-х гг. на территории данного района области, благодаря спланированным процедурам известкования почв, внесению минеральных удобрений и химических мелиорантов, сложилась отрицательная тенденция уровня кислотности, что приводило к увеличению плодородия.

Определение тяжёлых металлов в почвенных образцах и сравнение полученных результатов с ориентировочно допустимыми концентрациями позволило судить о загрязнении почв на исследуемых точках. В исследовании оценивались пять металлов – медь, мышьяк, никель, свинец и цинк. При анализе содержания тяжёлых металлов установлено, что на одной точке (№8, Собинский р-н) имеет место незначительное превышение ОДК по содержанию мышьяка, меди и никеля; отмечены также единичные превышения ОДК мышьяка в Ковровском и Вязниковском районах; выявлено значительное превышение ОДК по содержанию меди (в 1,4 раза) на точке №4 в Вязниковском районе; превышений ОДК по содержанию свинца и цинка ни на одной из исследуемых точек не выявлено.

На основе статистических данных (период 1990-2019 гг), установлено, что наиболее заметное увеличение кислотности фиксируется в Гусь-Хрустальном, Киржачском, Кольчугинском и Ковровском районах (-0,5 и выше за последние десятилетия) (Таблица 2).

 

Таблица 2 – Динамика снижения показателя pH в районах Владимирской области

Район	Значение pH в 1967-1970 гг.	Мин. значение pH	Значение pH в 2016-2019гг.	Изменение pH
Александровский	4,6 (1970г.)	5,6 (1990г.)	5,4 (2017г.)	-0,2
Вязниковский	4,6 (1967г.)	5,9 (1998г.)	5,5 (2016г.)	-0,4
Гороховецкий	4,7 (1968г.)	5,6 (1998г.)	5,5 (2016г.)	-0,1
Гусь-Хрустальный	4,8 (1970г.)	5,7 (1990г.)	5,1 (2017г.)	-0,6
Камешковский	4,4 (1967г.)	5,7 (1991г.)	5,5 (2017г.)	-0,2
Киржачский	4,5 (1968г.)	5,9 (1990г.)	5,3 (2018г.)	-0,6
Ковровский	4,7 (1968г.)	6,1 (1994г.)	5,6 (2017г.)	-0,5
Кольчугинский	4,7 (1968г.)	5,9 (1994г.)	5,4 (2018г.)	-0,5
Петушинский	4,4 (1968г.)	5,6 (1991г.)	5,3 (2019г.)	-0,3
Собинский	4,9 (1969г.)	5,8 (1992г.)	5,5 (2019г.)	-0,3
Судогодский	4,9 (1969г.)	5,7 (1991г.)	5,4 (2015г.)	-0,3
Суздальский	4,9 (1969г.)	5,8 (1998г.)	5,5 (2018г.)	-0,3
Юрьев-Польский	5,0 (1967г.)	5,8 (1996г.)	5,6 (2015г.)	-0,2

 

Как видно из полученных данных, наименьшее изменение показателя кислотности наблюдается в Александровском и Юрьев-Польском районе (-0,2 и ниже) (Рис. 1). Это может быть связано с наличием в этих районах плодородных почв с содержанием гумуса выше 2,3%, для которых процедура известкования не являлась необходимой.

 

Рис. 1 – Динамика изменения кислотности почв Владимирской области в пределах бассейна реки Клязьма за 1990-2016 гг.

 

Наибольшая доля нейтральных и близких к нейтральным почв наблюдается на северо-западе области, в Юрьев-Польксом районе, и в центральной части области, в Ковровском районе (более 64% земельных угодий заняты вышеперечисленными типами почв). Менее 33% нейтральных и близких к нейтральным почв находится в западной части области – на территории Киржачского и Петушинского районов.

В настоящее время в целом почвы Владимирской области характеризуются средним содержанием гумуса (средневзвешенный показатель по области – 2,36 на 01.01.2019г. (Таблица 3)). Хотя в последние годы содержание гумуса менялось незначительно, сохраняется тенденция к снижению уровня плодородия.

 

Таблица 3 – Распределение пахотных земель по содержанию органического вещества

№ п/п	Наименование района	Содержание органического вещества (гумус), %					Гумус,%	pH KClср
		<2,00	2,01-2,50	2,51-3,00	3,01-4,00	> 4,01
		В % от площади пахотных земель
1	Александровский	25,8	39,5	23,8	10,3	0,6	2,34	5,35
2	Вязниковский	60,4	30,7	7,3	1,2	0,4	1,93	5,47
3	Гороховецкий	64,2	27,6	6,2	1,3	0,7	1,87	5,45
4	Гусь-Хрустальный	69,9	17,0	8,4	4,2	0,5	1,83	5,09
5	Камешковский	77,3	17,6	4,0	0,8	0,3	1,73	5,47
6	Киржачский	3,0	31,3	43,4	20,7	1,6	2,70	5,34
7	Ковровский	82,6	13,7	2,6	0,6	0,5	1,68	5,63
8	Кольчугинский	0,6	12,7	36,6	46,7	3,4	3,07	5,42
9	Петушинский	29,6	39,2	26,7	4,3	0,2	2,65	5,26
10	Собинский	9,3	35,5	34,7	19,6	0,9	2,62	5,50
11	Судогодский	63,2	19,7	12,0	4,6	0,4	1,89	5,35
12	Суздальский	1,3	8,0	18,5	53,6	8,6	3,28	5,52
13	Юрьев-Польский	9,1	25,1	40,3	23,3	2,2	2,69	5,62
на 01.01.2019г.		36,8	22,1	19,5	19,3	2,3	2,36	5,47

 

На основе экспериментальных и статистических данных нами установлено, что наибольшие концентрации органического вещества отмечаются в районах с преобладанием серых лесных почв – Суздальском, Юрьев-Польском. Низкие показатели гумуса (<1,40%) в основном наблюдаются на левобережье Клязьмы, в восточной части Владимирской области.

Выводы

Во Владимирской области, расположенной в бассейне реки Клязьма, сохраняется тенденция к увеличению кислотности и снижению уровня плодородия почв. Площадь почв, имеющих кислотность близкую к нейтральной, в области значительно уменьшилась, а площадь слабокислых и среднекислых – продолжает увеличиваться, что свидетельствует о деградации почв. Закисление почв происходит неравномерно, этому явлению подвержены как районы с высоким уровнем плодородия и большими площадями серых лесных почв, так и районы с преобладанием дерново-подзолистых почв. Анализ экспериментальных данных, полученных в ходе проведенных исследований, позволяет сделать вывод о том, что при выводе почв из сельскохозяйственного оборота происходит снижение уровня кислотности этих почв.

Продолжает снижать доля пахотных земель в структуре землепользования области; доля постагрогенных земель увеличивается с каждым годом.

Конфликт интересов Не указан.

Conflict of Interest None declared.

Список литературы / References

1. О состоянии окружающей среды и здоровья населения Владимирской области в 2017 году: ежегодный доклад, Вып. 25 / Администрация Владим. обл., Департамент природопользования и охраны окруж. среды. – Владимир : Транзит-ИКС, 2018. – с. 64-69 с.
2. Atanassova I. Changes in soil organic compound composition associated with heat-induced increases in soil water repellency / I. Atanassova, S.H. Doerr // European Journal of Soil Science. – 2011. – V. 62. - №4. – pp. 516-532.
3. Медведев И.Ф. Дифференциация структуры ландшафта и экологические индикаторы / И.Ф. Медведев, Д.И.Губарев, С.С. Деревягин // Юг России: экология, развитие. – 2019. – Т.14. - №1. – С. 94-104.
4. Karhu K. Impacts of organic amendments on carbon stocks of an agricultural soil – comparison of model-simulation to measurements / Karhu K., Vanhala P., Tuomi M., Liski J., Gardenas A.I., Heikkinen J. // Geoderma. – 2012. – V. 189-190. – pp. 606-616.
5. Ponge J.F. The Soil as an Ecosystem / J.F. Ponge // Biology and Fertility of Soils. – 2015. – V.51. - №6. – pp. 645-648.
6. Гумбаров А.Д. Влияние антропогенной деятельности на тепловой режим и запасы биомассы почвы / А.Д. Гумбаров, Е.В. Долобешкин // Труды Кубанского государственного аграрного университета. – 2010. - №22. – С. 189-191.
7. Картамышев Н.И. Обработка почвы, обеспеченность растений элементами минерального питания и процесс гумусообразования / Н.И. Картамышев, В.Ю. Тимонов, Н.М. Чернышева и др. // Вестник Курской государственной сельскохозяйственной академии. – 2010. - №2. – с. 53-58.
8. Окорков В.В. О механизме и эффективности известкования кислых почв / В.В. Окорков, Л.А. Окоркова // Региональное приложение к журналу «Современные наукоёмкие технологии». - №3. – 2006. – с. 14-21.
9. Buntig B.T. The humus profile-concept, class and reality / B.T. Buntig, I. Yunberg // Geoderma. 1987. – V.40. – P. 17-36.
10. Heikkinen J. Changes in soil carbon stock after cropland conversion to Grassland in Russian temperate zone: measurements versus model simulation / J. Heikkinen, K. Regina, I. Kurganova, V.Lopes de Gerenyu , T. Palosuo // Nutrient Cycling in Agroecosystems. – 2014. – V. 98. - №1. – pp. 97-106.
11. Левин С.В. Тяжелые металлы как фактор антропогенного воздействия на почвенную микробиоту / С.В. Левин, В.С. Гузев, И.В. Асеева, И.П. Бабьева, О.Е. Марфенина, М.М. Умаров // Микроорганизмы и охрана почв. – М.: МГУ, 1999. – с. 5-46.
12. Panda B.P. Fermantation process optimization / B.P. Panda, M. Ali, S. Javed // International Journal of Soil Science. – 2007. – V.2. - №3. – pp. 201-208.
13. Shi T.R. Status of lead accumulation in agricultural soils across China (1979-2016) / Shi T.R., Ma J., Zhang Y.Y., Liu C.S. and others. // Environmental international. – 2019, №129. – pp. 35-41.
14. Zong Y. Magnetic signature and source identification of heavy metal contamination in urban soils of steel industrial city, Northeast China / Y. Zong, Q. Xiao, S. Lu. // Journal of Soils and Sediments. – 2017. – V.17. - №1. – pp.190-203.
15. Лобков В.Т. Гумусовое состояние пахотных почв Орловской области / В.Т. Лобков, В.М. Казьмин, Т.Ф. Макеева // Образование, наука и производство. – 2014. - №2(7). – с. 97-103.
16. Сухановский Ю.П. Долгосрочное прогнозирование изменения запасов гумуса в почве / Ю.П. Сухановский, Н.П. Масютенко, С.И. Санжарова, А.В. Прущик // Земледелие. – 2010. - №4. – с. 22-25.

Список литературы на английском языке / References in English

1. O sostoyanii okrujayuschey sredy i zdorovya naseleniya Vladimirsoy oblasti v 2017 godu: ejegodny doklad. [On the state of the environment and health of the population of the Vladimir region in 2017: annual report. Vol. 25] / Administration of the Vladimir region, Department of nature management and environmental protection. – Vladimir: Transit-X, 2018. - 118 p. [in Russian]
2. Atanassova I. Changes in soil organic compound composition associated with heat-induced increases in soil water repellency / I. Atanassova, S.H. Doerr // European Journal of Soil Science. – 2011. – V. 62. - №4. – pp. 516-532.
3. Medvedev I. F. Differentsiatsiya strukturi landshafta I ekologicheskie factory [Differentiation of landscape structure and environmental indicators] / I. F. Medvedev, D. I. Gubarev, S. S. Derevyagin // Yug Rossii: Ekologiya, razvitie. – 2019. – Vol.14. – Vol. 1 – P. 94-104. [in Russian]
4. Karhu K. Impacts of organic amendments on carbon stocks of an agricultural soil – comparison of model-simulation to measurements / Karhu K., Vanhala P., Tuomi M., Liski J., Gardenas A.I., Heikkinen J. // Geoderma. – 2012. – V. 189-190. – pp. 606-616.
5. Ponge J.F. The Soil as an Ecosystem / J.F. Ponge // Biology and Fertility of Soils. – 2015. – V.51. - №6. – pp. 645-648.
6. Gumbarov A.D. Vliyaniye antropogennoy deatel’nosti na teplovoy rezhim i zapasy biomassy v pochve [Influence of anthropogenic activity on the thermal regime and soil biomass reserves] / A.D. Gumbarov, E. V. Dolobeshkin // Trydi Kubanskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta [Proceedings of the Kuban state agrarian University]. – 2010. – Vol. 22 – P. 189-191. [in Russian]
7. Kartamyshev N. I. Obrabotka pochvy, obespechennost’ rasteniy elementami mineral’nogo pitaniya I protsess gumusoobrazovaniya [Soil treatment, provision of plants with elements of mineral nutrition and the process of humus formation] / Kartamyshev N. I., Timonov V. Yu., Chernysheva N. M., etc. // Vestnik Kurskoy gosudarstvennoy sel’skokhozyaystvennoy akademii [Bulletin of the Kursk state agricultural Academy]. – 2010. – Vol. 2. – P. 53-58. [in Russian]
8. Okorkov V. V. O mehanizme i effektivnosti izvestkovaniya kislykh pochv. About the mechanism and efficiency of liming acidic soils / V. V. Okorkov, L. A. Okorkova // Regional’noye prilozhenie k zhurnalu “Sovremennye naukoyemkie tekhnologii” [Regional Supplement to the magazine " Modern science-intensive technologies»]. – Vol. 3. – 2006. – P. 14-21. [in Russian]
9. Buntig B.T. The humus profile-concept, class and reality / B.T. Buntig, I. Yunberg // Geoderma. 1987. – V.40. – P. 17-36.
10. Heikkinen J. Changes in soil carbon stock after cropland conversion to Grassland in Russian temperate zone: measurements versus model simulation / J. Heikkinen, K. Regina, I. Kurganova, V.Lopes de Gerenyu , T. Palosuo // Nutrient Cycling in Agroecosystems. – 2014. – V. 98. - №1. – pp. 97-106.
11. Levin S. V. Tyazhelue metally kak factor antropogennogo vozdeystviya na pochvennuyu mikrobiotu. [Heavy metals as a factor of anthropogenic impact on the soil microbiota]. / S. V. Levin, V. S. Guzev, I. V. Aseeva, I. P. Babeva, Marfenina O. E., Umarov M. M. // Microorganisms and soil protection. – Moscow, 1999. – P. 5-46. [in Russian]
12. Panda B.P. Fermantation process optimization / B.P. Panda, M. Ali, S. Javed // International Journal of Soil Science. – 2007. – V.2. - №3. – pp. 201-208.
13. Shi T.R. Status of lead accumulation in agricultural soils across China (1979-2016) / Shi T.R., Ma J., Zhang Y.Y., Liu C.S. and others. // Environmental international. – 2019, №129. – pp. 35-41.
14. Zong Y. Magnetic signature and source identification of heavy metal contamination in urban soils of steel industrial city, Northeast China / Y. Zong, Q. Xiao, S. Lu. // Journal of Soils and Sediments. – 2017. – V.17. - №1. – pp.190-203.
15. Lobkov V. T., Kazmin V. M., Makeeva T. F. Gumusovoye sostoyanie pakhotnykh pochv Orlovskoy oblasti [Humus state of arable soils of the Oryol region] / V. T. Lobkov, V. M. Kazmin, T. F. Makeeva // Obrazovanie, nauka i proizvodstvo [Education, science and production]. – 2014. – Vol. 2 (7). – P. 97-103.
16. Sukhanov Y. P., Musatenko N. P. Sanzharova S. I., Prusik A. V. Dolgosrochnoye prognozirovaniye izmeneniya zapasov gumusa v pochve [Long-term forecasting of changes in the reserves of humus in soil] / Yu. P. Sukhanovsky, N. P. Masyutenko, S. I. Sanzharova, A.V. Pruschik // Zemledeliye [Agriculture]. – 2010. – Vol. 4. – P. 22-25.