Ecological analysis of agricultural environmental management problems in the Central Chernozem Region

Full Text

Для организации экологического мониторинга сельскохозяйственного природопользования и устойчивого развития регионов необходимы новые научно-методические подходы для ограничения негативного антропогенного воздействия. Степень остроты экологических проблем сельскохозяйственного природопользования недостаточно изучена, имеет противоречивые данные о негативном воздействии на агросистемы [1]. Предлагаемые принципы и критерии отбора геохимических показателей в почвах регионов определяют необходимость создания экспресс-мониторинга. В этой связи возникла необходимость обоснования интегральных показателей для определения экологического качества агросистем.

Целью исследования является изучение экологических проблем сельскохозяйственного природопользования на территории Центрального Черноземья.

Объектом исследования являются агросистемы Центрального Черноземья.

Материалы и методика исследования

Материалом и объектом исследования послужили агросистемы Центрального Черноземья. Почвы исследуемого региона в результате длительного сельскохозяйственного использования изменили свой геохимический фон. Большое разнообразие почвенного покрова, разные типы природопользования приводят к обострению локальных экологических ситуаций в регионе. Антропогенная трансформация почв рассчитывалась по модулям земледельческого и животноводческого геохимического воздействия. Техногенное влияние сельскохозяйственной деятельности определялось по коэффициенту техногенного воздействия Н.Ф. Глазовского [2]. Балансовый метод исследования позволяет определить экологические проблемы, связанные с процессами сельскохозяйственного природопользования.

Необходимо изменить условия функционирования почв путем улучшения природных условий почвообразования на участках интенсивного хозяйственного использования, т.е. важно поддержать относительную стабильность их вещественно-энергетического состава. А для этого необходимо выяснить особенности структуры почв и их массообмена. Геохимическое влияние земледелия выражается в двух основных процессах: вносе вещества с минеральными и органическим удобрениями и выносе их с урожаем.

В наибольшей степени подвергаются сельскохозяйственной нагрузке почвы, в связи с чем необходимы сведения о массе вещества, содержащихся в почве (M = S ph). Антропогенные геохимические изменения в почвах в процессе сельскохозяйственной нагрузки можно выразить модулем вноса и выноса вещества. Модуль вноса (Mв) иллюстрирует процесс поступления вещества по отношению к естественному фону почвенного покрова территории.

Mв = Nв/Nз,

где Nв – внос вещества с минеральными удобрениями, Nз – запас вещества в почвах ландшафта.

Модуль выноса (Мвн) вещества равен отношению отчуждения вещества с урожаем по отношению к его запасу в почвах:

Мвн = Nвн/Nз,

где Nвн – вынос вещества с урожаем, Nз – запас вещества в почвах ландшафта.

Разность (Мс – модуль запаса) между показателями модуля вноса (Mв) и выноса (Мвн) вещества дает возможность определить сохранение или потери вещества в ландшафте.

Мс = Мв – Мвн.

Этот показатель характеризует направление изменения геохимической структуры почвы в процессе ее хозяйственного использования. Для расчетов необходимы сведения о площадях почв и засеваемых культур, средней урожайности, содержании химических элементов в сельскохозяйственной культуре, массе вещества, содержащейся в пахотном слое почвы, а также информация о среднегодовых количествах удобрений, внесенных на изучаемую территорию.

Полученные результаты для различных типов почв позволят создать банк данных по геохимическому воздействию на сельское хозяйство, так как в процессе интенсификации сельского хозяйства происходит трансформация почв. Вместе с тем модульные показатели позволят выявить ответную реакцию почвенного блока, а также определить территории с избыточной сельскохозяйственной нагрузкой. Количественный подход к определению антропогенного влияния предполагает нахождение наилучшего приближения естественной реакции почвы. Поэтому в основе изучения сельскохозяйственной трансформации почвы лежит познание количественных и качественных закономерностей структуры и динамики массообмена вещества. Расчет показателей возможно производить на доминирующую культуру изучаемого региона. На основе предложенных коэффициентов можно составить матрицу данных, позволяющую моделировать процессы геохимических изменений.

Результаты исследований и их обсуждение

Агросистемы являются природно-антропогенной структурой, тесно взаимосвязанной как с природной средой, так и с деятельностью человека. Они развиваются в условиях умеренно-континентального типа. Их активный функциональный режим протекает в вегетационный период. Осадки за это время в среднем составляют около 320 мм, коэффициент использования влаги колеблется в пределах 75–86%, сумма активных температур 2400–2600°С, запасы продуктивной влаги в слое почве от 0 до 100 см, на начало вегетации составляют 130–140 мм. В процессе уборки урожая зерновых культур в среднем выносится около 20–40 кг/га азота, 8–15 кг/га фосфора, 20–40 кг/га калия. При этом от вносимых в почву минеральных удобрений растения поглощают около 90% калия, 20% фосфора и 60% азота. Значительные потери питательных веществ почвы происходят с поверхностным стоком. В среднем с поверхностным стоком с агросистем может выноситься 50% калия, 20% фосфора и 10% азота [3]. На основе анализа данных Росстата были рассчитаны показатели урожайности преобладающих сельскохозяйственных культур, представленных в таблице 1.

Таблица 1 – Амплитуда колебания (max, min) урожайности преобладающих сельскохозяйственных культур в областях Центрального Черноземья

Для зерновых культур характерны два типа агросистем, озимые и яровые, при этом урожайность озимых выше и достигает 29,5 ц/га.

В сочетании с другими агросистемами они создают мозаичное геохимическое поле в лесостепных ландшафтах [4]. По годам наблюдаются значительные колебания урожайности сахарной свеклы и зерновых культур. Уровень выноса вещества по годам варьирует от 1,5 до 40 раз. Геохимическое воздействие человека в сельском хозяйстве выражается не только выносом, но и вносом вещества с минеральными и органическими удобрениями (таблица 2).

Таблица 2 – Усредненные показатели вноса минеральных и органических удобрений, т/га

Примечание. Дозы внесения удобрений изменялись и отмечена тенденция к уменьшению.

Количество минеральных удобрений в среднем – 200 кг на 1 га почвы, кроме того, азотных – 35 кг, фосфатных – 65 кг, калийных – 50 кг. Органические удобрения вносятся в количестве 6 т на 1 га один раз в 10 лет. Фосфорные удобрения вымываются из почвы в незначительных количествах, так как участвуют в биогеохимических процессах почва – растения. Калийные удобрения хорошо растворяются в воде и активно выносятся из почвы. Анионы калия хорошо сорбируются почвой. Нитраты имеют высокую растворимость и инертность, остаются свободными и активно мигрируют в зоне аэрации.

Для определения уровня геохимической сельскохозяйственной нагрузки производится расчет модульных показателей по методике. При этом были определены модуль вноса (Мв), модуль выноса (Мвн) и модуль сохранения или потери вещества (Мс). Расчет производился для трех ведущих культур, произрастающих на типичных черноземах. Нормы внесения удобрений составляют: суперфосфат гранулированный и в порошке – 14 ц/га, калийная соль – 2,5 ц/га, азот аммиачный – 1 ц/га. Средняя урожайность пшеницы – 40 ц/га, свеклы – 176 ц/га. Физический смысл рассчитанных коэффициентов заключается в оценке массы вещества, вносимого и выносимого из почвы к содержанию его в почве (таблица 3).

Таблица 3 – Геохимическое воздействие земледелия на ландшафт

Для агросистем озимой пшеницы 0,7% фосфора от его запаса вносится в почву; 0,14% выносится вместе с урожаем; 0,56% остается в почве. По азоту внос с минеральными удобрениями составляет 0,11%, выносится с урожаем 0,33%, дефицит азота 0,22%. По калию поступление составляет 0,1%, отчуждение с урожаем 0,36%, отрицательный баланс составляет 0,26%. Для агросистем сахарной свеклы характерен более значительный вынос с урожаем калия и азота.

Степень земледельческого геохимического воздействия по азоту и калию превышает естественный геохимический потенциал ландшафта. Отрицательные балансы по азоту и калию всех агросистем на типичных черноземах Окско-Донской равнины отмечены также в работе Г.П. Школьной [5].

В целом по данным исследования региона наблюдаются ежегодные потери азота и калия и нормальный режим по фосфору. В зависимости от температуры и уровня увлажнения масса выноса вещества и модуль сохранения запасов его в почве будет варьировать.

Для ландшафтов Центрально-Черноземного лесостепья характерны 3–4 засухи за семнадцатилетний период [6–8]. В засушливый год будет наблюдаться накопление вносимых туков, так как отчуждение вещества с урожаем невелико. В годы с максимальными урожаями следует ожидать преобладание выноса вещества.

Рассчитанные коэффициенты роста модулей выноса вещества составляют 0,052, а величина коэффициента роста модулей запасов вещества составляет 0,038. Сопоставление по скорости роста выноса за десятилетие и запасов вещества в почве выявляется тенденция запаздывания сохранения запасов вещества в почве по сравнению с выносом.

В среднем за десятилетний период в агросистемах характерно уменьшение обменного калия и азота и увеличение обменных форм фосфора на типичных черноземах. Это свидетельствует о негативном сельскохозяйственном воздействии на земельные ресурсы [9].

На агросистемы оказывается техногенное воздействие, которое было рассчитано по методике Н.Ф. Глазовского [2]. Модули техногенного давления в Центральном Черноземье показаны в таблице 4.

Таблица 4 – Модуль техногенного давления

Из данных таблицы следует, что характерен процесс уменьшения запасов вещества, что свидетельствует об интенсивном характере сельскохозяйственного воздействия. Для лесостепья Черноземья на рубеже XXI века характерна флуктуация климатических процессов, влияющих на процесс почвообразования [10]. Сельскохозяйственное природопользование нарушает природный геохимический и гидрологический фон территории [11; 12]. Сочетание различных типов черноземов определяют структуру и динамику миграционных процессов в почве [13; 3]. В этой связи при организации сельскохозяйственного мониторинга необходимо учитывать контрастность проявления природно-антропогенных процессов.

Апробированная система модульных показателей определяет особенности проявления природных и антропогенных факторов в агросистемах.

Для Центрального Черноземья в настоящее время характерны различные типы земледельческих пользователей, а также постоянно изменяется количество животноводческих комплексов [14]. В конце ХХ века поголовье крупного рогатого скота на территории региона было 4827 тыс. голов, а уже к 2015 году уменьшилось до 1087 тыс. голов (таблица 5) [15].

Таблица 5 – Усредненные показатели поголовья скота и количество навоза

В настоящее время животноводство, наряду с земледелием, оказывает значительное воздействие на изменение геохимического фона территории. Для водоснабжения в сельском хозяйстве, особенно животноводстве, используются подземные воды в количестве 243 тыс. м³/сутки. При этом только 10% составляют хозяйственно-бытовые стоки и 90% – производственно-сточные воды [16]. Уровень очистки вод с сельскохозяйственных объектов в настоящее время довольно низок. Только некоторые из них имеют эффективные очистные сооружения, причем пять из них расположены перед самым выпуском сточных вод в реку. Очищается всего 3 тыс. м³/сутки; 8 тыс. м³/сутки используется на орошение [17]. Наиболее высок уровень загрязнения в животноводческих комплексах, расположенных на малых реках [18]. Животноводческие фермы являются источниками загрязнения атмосферного воздуха, а также значительна величина бактериального загрязнения. Животноводческие фермы служат поставщиками органических удобрений [19]. В перспективе ежегодный объем жидких органических удобрений превысит 10 млн м³. Данная величина равноценна 60 тыс. т аммиачной селитры и 39 тыс. т калийной соли. Рассчитан коэффициент животноводческого воздействия, результаты отражены в таблице 6.

Таблица 6 – Коэффициент животноводческого геохимического воздействия за 2015–2019 гг. (средние показатели)

Сравнение уровней животноводческого воздействия по общему азоту и органическому веществу с урбосистемами показывает их равнозначность. Отходы животноводческих ферм занимают определенные площади в агросистемах, которые могут колебаться от 2 до 5 га. Количество животноводческих отходов может колебаться от 1,5 до 30 т в сутки. Отходы складируются на территории ферм, хранилища плохо экранированы и оказывают влияние на окружающую среду. Основными химическими компонентами отходов являются азот, фосфор и калий. Следует отметить изменение структуры и динамики численности поголовья скота. Распределение животноводческих комплексов по территории региона неравномерно. В наиболее неблагоприятных экологических условиях под влиянием животноводства оказываются и аквальные ландшафты, а также пригородные и селитебные территории.

В последние годы после резкого падения численности животноводческих комплексов характерно постепенное увеличение животноводческой нагрузки, что приводит к независимому варьированию коэффициента геохимической животноводческой нагрузки [20]. Причем этот процесс экспоненциально возрастает во времени. Большая часть массы вещества, продуцируемого животноводством, используется в качестве удобрений, и уровень использования во времени также возрастает.

Выводы

Сельскохозяйственное природопользование в наибольшей степени влияет на структуру и динамику природных геохимических процессов. В земледелии наблюдается значительный уровень геохимического воздействия, который выражается в преобладании выноса вещества из агросистемы. Урожайность сельскохозяйственных культур по сравнению с началом XX века изменяется незначительно и зависит от природных факторов, если учитывать среднестатистические данные за десятилетие начала XXI века и современного периода. Крупные животноводческие комплексы являются источниками загрязнения территории, несмотря на использование современной технологий, несоблюдение при этом нормативов, эколого-правовых норм вызывает конфликтные ситуации с местным населением.

Заключение

Организация мониторинга геохимических процессов в почвах Центрального Черноземья выявляет их функциональный режим и нарушения балансовой структуры. Сельскохозяйственное природопользование усиливает процессы эрозии, загрязнения почв, переувлажнение, иссушение. Расчеты модульных показателей выявили, что истощение земельных ресурсов происходит за счет несбалансированного сельскохозяйственного природопользования, они позволяют осуществлять более обоснованные научные прогнозы негативных процессов в почве. Комплексный мониторинг позволит выявить наличие технологических потерь в региональном природно-антропогенном геохимическом фоне.

About the authors

Falak Almobarak

Email: falak88.2019@gmail.com

postgraduate student of Geography and Tourism Department

Lydia A. Mezhova

Author for correspondence.
Email: lidiya09mezhova@yandex.ru

candidate of geographical sciences, associate professor of Geography and Tourism Department

References

Supplementary files