Вначале представлю краткую справку по истории почв нашей области. В условиях лесостепной, степной зоны под влиянием особых почвенно-климатических условий, в условиях дефицита влаги и неполного разложения органического вещества сформировались ценнейшие природные ресурсы, которые называются черноземами. Интерес к нашим почвам очень давний: с 1887 года Василий Васильевич Докучаев, родоначальник генетического почвоведения, проводил свои экспедиции и отмечал наличие в нашей области жирных, тучных черноземов. На сегодняшний день их, к сожалению, осталось не больше 1%, а чернозем в целом составляет 73% от всего почвенного запаса области. Преобладают южные черноземы и то, что нас интересует, — это гумус, он в настоящее время находится в состоянии средних запасов, то есть у нас среднегумусные почвы. По данным Докучаева, содержание гумуса доходило раньше до 17%, сегодня, к сожалению, мы имеем 4,2% и 5%.
Сформировались несколько подтипов черноземов — это оподзоленные, выщелоченные, типичные, обыкновенные и южные. Обращаю внимание на два подтипа — выщелоченные и типичные, которые мы и изучали. Наш вуз работает в тесной связи с фермерами, и мы выявили одну общую проблему, которая заключается в том, что мы вынуждены и защищать почвы, и соблюдать технологии, которые способствуют их защите, и производить продукцию, причем в достаточном количестве, и получать еще экономический эффект. Все эти факторы должны совмещаться. Ряд проектов, которые мы реализуем, направлены на почвосбережение. Это проекты по мелиорации с «ХозАгро», который организуется, проект по реализации и насаждению лесозащитных полос на юге области и один из значимых проектов, который мы начали вместе с хозяйством Людмилы Владимировны Орловой, — это ретроспективный анализ почв хозяйства, где реализуется технология почвозащитного ресурсосберегающего земледелия (ПРЗ) и, соответственно, возможность депонирования этими почвами и при помощи этих технологий углерода. Реализовывали проект совместно с Агрофизическим институтом. Самарский университет нам помогал с анализом почвенных парниковых газов. Мы выполнили полностью первую, предварительную часть — это ретроспективный анализ состояния почвы на территории хозяйства «Орловка-АИЦ».
История почвоведения в нашей области, как я уже сказала, достаточно фундаментальная, и если данные, которые были опубликованы Докучаевым, сохранялись какое-то время в архивах, то с 1961 года на территории области был создан и функционировал институт «Волгониигипрозем», который по госзаданию осуществлял туры почвенного обследования. Ретроспективный анализ был выполнен при использовании архивных данных этого учреждения. Мы анализировали фондовые данные 1952 года, но для того, чтобы была зависимость и можно было отследить динамику, использовали данные 1974 года. То есть за 47 лет мы проанализировали историю почв. Сделали это для того, чтобы можно было в дальнейшем проводить исследования и заложить мониторинговые площадки на территории хозяйства.
Мы начали с ретроспективного анализа, потому что он, по протоколу ФАО, является обязательным в любых исследованиях: мы должны знать историю почв, которые в дальнейшем будем подвергать исследованию. Историческая справка говорит о том, что с 1929 года почвы передавались от одного хозяйства к другому, и, возможно, не всегда соблюдалась система земледелия.
Для того чтобы осуществить ретроспективу, мы в 2021 году совместно с сотрудниками «Волгониигипрозема» провели изучение 48-ми разрезов по всей территории хозяйств с 1973 года. Несколько карт было заимствовано из фондов «Волгониигипрозема» и также была разработана своя карта. В желтых кружочках на картах мы восстановили координаты тех точек, которые были использованы, например, в 1973-1974 годах, следующий этап — 2002 год и наш этап — 2021 год. Точки примерно расположены рядом, чтобы можно было в дальнейшем провести динамику.
Здесь вы видите разрезы, которые подвергались изучению, составлена морфометрическая характеристика почв и сделано описание всех почвенных горизонтов. На территории хозяйства были выделены почвообразующие породы, такие как элювий плотных карбонатных пород, делювиальные глины и тяжелые суглинки, древнеаллювиальные отложения и современные элювиальные отложения и элювий плотных карбонатных пород. Они имеют большое распространение на территории хозяйства и являются той породой, на которой сформировались черноземы хозяйства. В механическом составе преобладают фракции ила и крупной пыли — в этих условиях сформировались выщелоченные и типичные черноземы глинистого механического состава, и именно эти почвы являются ценнейшими в нашей области, обладают хорошим потенциальным плодородием.
Дополнительно была проведена классификация по типам и подтипам почв и их характеристика, которая была сделана по условиям результатов анализа.
Для каждого типа и подтипа чернозема было сделано описание всех слоев, которые входили в почвенный горизонт.
По морфометрическому строению профиля было отмечено, что произошли изменения в структурности почвенных горизонтов и в зависимости от глубины стала преобладать менее водопрочная структура. Верхний пахотный горизонт характеризуется как порошисто-глыбистый и комковато-порошистый. Пахотный слой подстилается очень плотной, слабоводопроницаемой прослойкой, толщина ее невелика, и, по данным предыдущих исследователейпочвоведов, эта прослойка игнорировалась, ее описания мы не нашли. У нее крупнозернистая и комковато-глыбистая структура, возможно, это связано с уменьшением содержания гумуса, возможно, с микростроением агрегатов. Для того, чтобы провести интерпретацию аналитических данных, мы подобрали цифры, которые у нас сохранились.
По динамике величины почвенной среды: в период с 1974 по 2002 годы произошли изменения в сторону незначительного подкисления пахотного горизонта, а на втором этапе мы в динамике выявили, что почва поднялась ближе к нейтральной и даже слабощелочной реакции. По нашей карбоновой тематике особенно интересно содержание гумуса и динамика гумуса. Для всех типов почв она не одинаковая. В зависимости от происхождения не все черноземы вели себя одинаково. Ряд черноземов увеличили содержание гумуса от 1% до 2,8%. Характерно, что по состоянию гумуса почвы могут на данном этапе быть переведены из категории малогумусные в категорию среднегумусные и из маломощные в среднемощные.
По динамике подвижных элементов питания мы сделали динамику для фосфора и калия и первоначальные данные по азоту. Динамику по азоту отследить не удалось. Для характеристик подвижных форм фосфора была составлена таблица — по минеральным элементам остается среднеобеспеченность, и свою тенденцию она сохраняет, значительных изменений не происходит и в градации даже иногда опу-скается до низкой. То же самое характерно для обменного калия.
В градации почв присутствовали смытые почвы, это говорит о том, что эрозия почв наблюдалась какое-то время. Однако, когда хозяйство начало реализовывать технологию ПРЗ, технологию No-till, мы видим, что многие почвы переходят из среднесмытых в слабосмытые, что говорит о том, что технология способствует приостановке эрозии. В дальнейшем такие отправные точки помогают создать стационарные площадки для ведения мониторинга, в том числе и для депонирования почвенных газов, потому что тип почвы, порода являются отправными точками для того, чтобы говорить в дальнейшем о способности почвы депонировать углерод или осуществлять его эмиссию.
Дальнейшие исследования с использованием ретроспективного анализа определили примерно одинаковые площадки для того, чтобы вести наблюдения за почвенными газами.
Акцентирую внимание на новом проекте, который реализуется в нашей области — это лесозащитные полосы. Совсем недавно, осматривая посевы на юге области, мы наблюдали явление сильной песчаной бури. Хозяйство, которое кормит не только область, но и пол-России, терпит бедствие: они обратились к нам с тем, чтобы спланировать им защитные поперечные лесополосы. Так что мы занимаемся и такими вопросами защиты наших ценных природных ресурсов.
Моделирование с помощью модели DNDC
Моделирование важно при планировании любых мероприятий на территориях. Мы работали по заказу «Национального движения сберегающего земледелия», средства на эту работу выделял «Уралхим Инновация», исследования проводились в ООО «Орловка — АИЦ».
В основном мы работали с моделью DNDC, основанной на процессах трансформации азота и углерода. Для работы модели необходимо большое количество входных данных. Первое — это климатические параметры. В «Орловке» есть метеостанция, которая собирает ежедневные данные о максимальной и минимальной средней температуре и осадках. Климатические данные должны вводиться ежедневно с 1 января по 31 декабря. Они могут быть предоставлены в разных характеристиках, в данном случае мы использовали минимальную и максимальную температуру и осадки. Все эти данные загружаются в модель. Далее — характеристика почв по плотности содержания органического вещества. Гранулометрический состав исследовали с помощью сотрудников Аграрного университета. Потом определяли в них концентрацию углекислого газа и закиси азота. Помимо климата и характеристик почв, еще есть возможность фиксировать характеристики той культуры, которую возделывают на этой территории. В данном случае это была кукуруза. Также есть отдельная вкладка по обработке почв, которая позволяет выбирать разные типы обработки. Можно вносить данные о дате, типе удобрения и многие другие параметры, в том числе можно выбрать органические удобрения, орошение, если оно имеется.
В результате после внесения всех данных в нашу модель формируется загрузочный файл для разных типов обработки, которые мы изучали, — основная обработка, минимальная обработка. Также у нас были лесные почвы, и для всех этих участков мы провели моделирование с помощью модели DNDC.
Модель моделирует рост и развитие растений, показывает водный стресс, если он был. Прослеживается дефицит азотного удобрения, который испытывали растения: видно, что удобрение вносилось один раз во время посева, а после того, как растения использовали удобрения, они начали испытывать азотный стресс.
Также моделируются различные почвенные параметры, и точно так же моделируется содержание элементов питания нитратного аммиачного азота Ph в почве. Модель показывает микробиологическую активность и эмиссию парниковых газов.
В соответствии с моделью DNDC максимальное количество парниковых газов в почвах прогнозировалось на конец апреля — начало мая и конец ноября — начало декабря, когда увеличивается количество осадков, падает температура и попадает дополнительное количество растительных остатков. В целом большая часть вегетационного сезона в соответствии с этой моделью не характеризовалась высокими эмиссиями парниковых газов.
Основные полученные результаты — баланс азота, углерода, воды и эмиссии парниковых газов. В связи с этим можно прогнозировать, какой может быть максимальный урожай. Еще по балансу азота можно увидеть, что в почву вносились растительные остатки и удобрения.
Баланс углерода в почве оказался положительным. В результате того, что вносилось и выносилось с урожаем, в почву попало дополнительное количество органического вещества, так что небольшой, но положительный баланс в соответствии с этой моделью в 2021 году был. Модель показывает водный баланс — растения испытывали дефицит влаги в течение вегетационного сезона. А также эмиссию трех основных парниковых газов — углекислого газа, закиси азота и метана.
В целом из модели можно извлечь огромное количество данных. Например, рост и развитие растений, температурный и влажностный режим почвы, динамика почвенного углерода, динамика азота, содержание углерода в листьях, стеблях, корнях, зерне, содержание элементов питания в растениях, дыхание листьев и многое другое.
Рассмотрим участок с традиционной обработкой, с минимальной обработкой 2017 года, с минимальной обработкой 2014 года и лес. В результате моделирования у нас получилось, что количество углерода, которое накапливается в стеблях у пшеницы и подсолнечника в результате нулевой обработки, как и в результате общепринятой обработки, было одинаковым. Это означает, что тот углерод, который потом поступит в почву в виде стеблей и листьев, не будет различаться для этих двух культур и этих двух обработок. Но если мы посмотрим на корневой опад, то в соответствии с этой моделью корневой опад с пшеницы был значительно ниже, чем от подсолнечника.
Далее модель показывает динамику углекислого газа: на общепринятой обработке эмиссия углекислого газа значительно выше, что связано с тем, что почва обрабатывается, аэрация значительно выше и, естественно, эмиссия углекислого газа выше.
Кумулятивная эмиссия углекислого газа при традиционной обработке в соответствии с моделью оказалась почти в два раза выше, чем при минимальной обработке.
