Для сохранения и воспроизводства природных ресурсов в современном земледелии наиболее актуальной проблемой является охрана и правильное использование почв, повышение их плодородия и борьба с потерями питательных элементов почвы и удобрений.
В рамках международной программы по охране окружающей среды изучаются биогеохимические циклы важнейших биогенных элементов с целью управления их круговоротом в природе и земледелии.
Нарушение технологии возделывания сельскохозяйственных культур приводит к потерям питательных веществ не только удобрений, но и почв в результате смыва, развития водной и ветровой эрозии. Все это наносит большой ущерб не только земледелию, но и окружающей среде.
Образно характеризуют эрозию почв П. Дювиньо и М. Танг (1963): «Эрозия точит все континенты, распространяясь по Земле как проказа. Каждый год проливные дожди, низвергающиеся на беззащитные почвы, смывают в реки, а оттуда в море миллионы тонн земли, которая утрачивается безвозвратно».
В результате эрозии и стока поверхностных вод теряется наиболее плодородная тонкодисперсная фракция почвы, богатая гумусом и питательными элементами. Эрозия почв является серьезной проблемой современного земледелия практически во всех странах мира. Колоссальный ущерб она наносит сельскому хозяйству США, где эрозии подвергнуто около 40% пашни. Потери от эрозии почв в США в шестидесятых годах оценивались следующими цифрами: смыв мелкозема водоразделов 4 млрд. т/год (в том числе с сельскохозяйственных и лесных массивов 75%). В этих выносах содержалось 0,1% N, 0,15% Р2О5, 0,5% К2О; общая потеря питательных веществ достигала 50 млн. т/год. Это количество превышало мировое производство удобрений в шестидесятых годах.
В этой стране накоплен большой опыт по защите почв от эрозии. Вся территория разбита на округа по охране и правильному использованию почв (Soil Conservation districts). Для каждого округа разработана дифференцированная система почвозащитного земледелия, контроль за ее выполнением возложен на специалистов Службы охраны и правильного использования почв (Soil Conservation Service). Полувековая практика деятельности указанной службы и округов вполне себя оправдала. Комитетом по охране среды установлены размеры допустимых потерь почвы при водной эрозии в пределах 2,5—12 т/га. Тем не менее в штате Айова общие потери почвы в 1974 г. под влиянием эрозии достигали 100—150 т/га, а на крупных склонах — 500 т/га. По мере снижения степени облесенности территории потери почвы от водной и ветровой эрозии увеличиваются. Так, малооблесенные почвы южных штатов в большей степени эродированы (в штате Айова потери почвы в среднем 55—75 т/га). В среднеоблесенных восточных штатах эрозионные потери почвы снижены до 2 т/га.
Исследованиями, выполненными в штате Висконсин, установлено, что в твердом стоке содержалось в 2,7 раза больше азота, в 3,4 раза — подвижного фосфора и в 19 раз больше обменного калия по сравнению с их наличием в оставшейся почве.
В штате Висконсин загрязнение вод фосфором происходит в основном за счет сточных вод (59%), муниципального стока (10%), стока сельских земель (21%), стока других земель (6%), осадков и грунтовых вод (4%).
Из 146 млн. га пахотных угодий США 21% являются загрязнителями вод твердым стоком, до 34% — пестицидами, 4% — отходами животноводства и до 3% — избытком солей. Эрозия сопровождается значительной потерей гумуса. В опытах, проведенных на суглинистой почве, смыв гумуса составил 1,05—1,25 т/га, причем в твердом стоке его содержалось в 1,5—2 раза больше, чем в оставшейся почве.
При ветровой эрозии (дефляции) теряется наиболее ценная часть почв — мелкозем. В США дефляцией охвачено 28 млн. га. За последние 30 лет в Великих Равнинах подвергалось дефляции 0,4—6 млн. га земель с потерей почвенной массы до 33 т/га. На легких почвах штата Оклахома дефляция снижала урожай пшеницы на 2,7 ц/га, сорго — на 3,1 ц/га.
Большие беды пыльные бури причиняют земледелию и в нашей стране. Наиболее сильно они развиты на Кубани, в Центрально-Черноземной зоне, Северном Казахстане, на Алтае. Отмечены случаи, когда с пыльными бурями сносился весь пахотный слой почвы и растения погибали. Введенная в пашей стране почвозащитная система земледелия для эрозионноопасных районов направлена на предотвращение эрозии и получение высоких и устойчивых урожаев сельскохозяйственных культур.
В Великобритании ежегодный смыв почвы на склоне крутизной до 5° составляет почти 100 м3/га. В Эйфеле (Франция) смыв почвы при крутизне склона 6° равен 120 м3/га, а при 13°— 190 м3/га.
Исследованиями бельгийских ученых установлено, что за последние 150 лет ежегодный смыв достигал 15 т/га, что превышает допустимый — 11 т/га. Годовой смыв почв на черноземах Болгарии составляет 3,7—4,5 т/га, в зависимости от крутизны склона.
В Индии из-за эрозии ежегодно теряется 6 млрд. т почвы с площади 91 млн. га, или 66 т/га; вследствие интенсивной эрозии и дефляции 40 тыс. га полностью выходит из состава сельскохозяйственных угодий.
В результате водной эрозии из почвы и вносимых удобрений теряется огромное количество питательных элементов. Наибольшая доля потерь приходится на азот; теряются как минеральные его формы, так в составе гумуса и других органических соединений. Ученые США отмечают, что существенным источником потерь азота из почвы является смыв его поверхностными водами, который достигает ежегодно в среднем под лесом 0,8—3,4 кг/га в год, на пастбищах — 6—8, под пшеницей— 6. под хлопчатником — 13, при чередовании кукуруза — пшеница — 18, под цитрусовыми культурами — 64 кг/га.
Внесение удобрений, особенно в повышенных дозах, усиливает потери питательных веществ. Например, в штате Луизиана (США) без внесения удобрений под райграс с поверхностным стоком минерального азота терялось лишь 3 кг/га, а при внесении азота в дозе 100—200 кг/га потери его возрастали в 2—2,5 раза.
Концентрация элементов зависит не только от уровня удобренности полей, но и от типа и свойств почв, количества выпадающих осадков, количества сточных вод н других факторов. Поэтому трудно определить долю участия сельского хозяйства в загрязнении питательными элементами рек и других природных водных источников.
Например, Davidson и Lloyd (1977) отмечают, что за последние 20 лет среднегодовые количества азота в реках сельскохозяйственных и городских районов Англии увеличились незначительно.
Все эго подтверждает, что на загрязнение природных водных источников отдельными химическими элементами, особенно азотом, влияет сложный комплекс факторов, требующий более глубокого и обстоятельного исследования.
Фосфор теряется в основном из-за эрозии и поверхностного смыва. Например, в США на твердый сток приходится 95% общих потерь фосфора. На суглинистой почве под зерновыми культурами смывалось 11 т/га твердой фазы, с которой терялось 22 кг/га валового фосфора. В среднем же по стране ежегодные потери фосфора составляют 6 кг/га в год. В Великобритании теряется 15 кг/га фосфора. Это объясняется тем, что там вносится много фосфора и примерно половина валового запаса этого элемента представлена остаточными фосфатами длительно вносимых удобрений.
Потери калия в США от водной эрозии достигают 40—50 млн. т. В Эльзасе (Франция) потери этого элемента в результате смыва составляли на легких почвах 20—70 кг/га, на суглинистых — 10—20, на глинистых — до 10 кг/га. На целинной почве смывалось 22 кг/га, а на старопахотной — 16. В результате эрозии и смыва почвы теряется много и других макро — и микроэлементов.
В. А. Ковда (1976) считает, что с точки зрения защиты океана, морей, озер, рек от загрязнения взвешенным и растворимым материалом наиболее целесообразным является максимальная «биологизация» поверхности суши, т. е. закрытие ее живым растительным покровом, закрепление почв корнями и дерниной, увеличение синтеза растительной биомассы и содержания гумуса в почвах. Сброс городских и индустриальных отходов в водоемы должен быть прекращен. Эти отходы следует использовать в виде специальных компостированных удобрений.
Преградой эрозии могут служить правильно подобранные культуры и противоэрозионные севообороты. Так, в Канаде максимальный смыв почвы под пропашными культурами был 9,1 т/га, под соей — 7,6, под монокультурой кукурузы — 6,7 т/га. На севооборотной площади ежегодные потери под кукурузой составляли 3,7 т/га, под зерновыми — 3,4, под травами — 2,6, на постоянных пастбищах — 0,4 т/га.
В исследованиях, проведенных в США, при внесении фосфора 56 кг/га на участке крутизной 6° дождевание 63 мм/ч обусловило смыв почвы в черном пару 16 т/га, по дискованной дернине — 2,7 т/га; в смытой почве содержалось соответственно 16,5 и 4,7 кг/га подвижного фосфора. Максимальные потери калия в этой стране также отмечены на парующих почвах, под пропашными культурами и на полях с нерегулируемым поверхностным стоком. Если на распаханном и незасеянном участке потери калия достигали 1600 кг/га, то под многолетними травами — только 3 кг/га.
В нашей стране интересные исследования проведены Грузинским научно-исследовательским институтом почвоведения, агрохимии и мелиорации. В опытах, где нарушалась агротехника, потери азота вследствие ветровой эрозии достигали 115— 120 кг/га. При обычной агротехнике они составляли 75—80 кг/га. При проведении части противоэрозионных мероприятий (глубокая пахота, перекрестный посев, глубокая заделка семян и т. д.) потери азота сокращались до 45—50 кг/га. На участках, занятых посевом многолетних трав, потерь азота практически не наблюдалось.
В этом институте изучали влияние и водной эрозии на потери питательных веществ. Так, на бурой лесной почве потери мелкозема вследствие водной эрозии составляли 50—60 т/га, а в отдельные (с ливнями) годы — 150—200 т/га и более. После проведения противоэрозионных мероприятий (водоотводящие каналы, водозадерживающие канавы и борозды, обработка земли и посев в поперечном направлении и др.) смыв почвы уменьшался до 16—28 т/га. Потери азота без противоэрозионных мероприятий составляли 52 кг, а в отдельные годы — 75—86 кг/га. Там же, где проводились противоэрозионные мероприятия, они составляли всего лишь 7—12 кг/га. Под посевом многолетних трав сток отсутствовал и потерь азота практически не было. На перегнойно-карбонатных почвах без проведения противоэрозионных мероприятий потери азота составляли 32 кг/га, проведение же всего комплекса противоэрозионных мероприятий исключало потери азота.
Проблема эрозии и охраны почв в виноградарстве Швейцарии тесно увязана с системой удобрения и агротехникой этой культуры. На отлогих склонах возделывание виноградной лозы осуществляют на террасах. Для максимального использования солнечной радиации их делают контурными — располагают по горизонталям. Уничтоженные механическим способом сорняки оставляют на поверхности в качестве мульчи и органического удобрения. Основное внесение удобрений способствует сохранению гумуса почвы, ослабляет процесс эрозии, уменьшает потери элементов питания растений. Несмотря на это, при эрозии терялось 2,5—10 мм почвы в год. На легких почвах глубина промоин достигала 50—60 см. На опытных делянках крутизна склона 10—44%, почва в парующем состоянии, покрыта компостом (мульча) и засеяна травой. Контрольная делянка была необработанной и обнаженной (без мульчи и трав).
Во время сильных ливневых дождей в результате эрозии терялось почвы 15—20 т/га. Защищенная же почва теряла мелкозема лишь 0,08—0,15 т/га. Потеря питательных элементов на защищенной почве была также незначительной. При сильном ливне потери почвы и питательных элементов на открытой почве могут составить 50%, на защищенной они не превышают 5%. Установлено также, что на покрытой почве при внесении N70P70K180 практически не наблюдалось потерь питательных элементов независимо от крутизны склона. На открытой же почве терялось по 7% калия и фосфора и 6% азота от внесенной нормы. На защищенной почве потери азота снизились в 2 раза, фосфора — в 11 раз, калия — в 10 раз. Для предотвращения водной эрозии в виноградниках Швейцарии рекомендуется покрывать почву торфом, засевать культурой, не конкурирующей с виноградной лозой (ячмень и др.). Эффективно также размещение рядов растений поперек склона, контурное террасирование.
Проблема загрязнения поверхностных вод азотом в результате стока на сельскохозяйственных землях была исследована в ФРГ Геттингенским университетом. Содержание нитратного и аммонийного азота в жидком стоке колебалось в значительных размерах. В среднем за 2 года общего азота содержалось 2,60—19,87, нитратного 1,06—18,69, аммонийного 1,18—1,54 мг/л. Сток составил 9,4—14,7% от суммы выпавших осадков. Концентрация азота в дренажной воде была (в мг/л): общего на пашне 6,89, на пастбище 1,51, в том числе нитратного соответственно 6,77 и 1,38, аммонийного 0,12 и 0,13. Из приведенных данных видно, что существенно загрязнял воды нитратный азот.
В засушливый год потери азота с дренажными водами были 2 кг/га, а в дождливый год они достигли 7 кг/га. Средние многолетние потери составили около 6 кг/га. Содержание общего азота в ключевой воде на четырех водоразделах варьировало в пределах 0,98—8,92 мг/л, в том числе нитратного 0,86—8,82, аммонийного 0,05—0,17 мг/л. На участках под растительным покровом в течение вегетационного периода вымывания азота не было. Количество азота, внесенного весной с минеральными удобрениями, обычно полностью использовалось на образование урожая.
Под культурами потери азота при обеих дозах и формах азотных удобрений были небольшими с тенденцией увеличения по вариантам с компостами. Под паром потери азота были значительными (90 кг/га в год) даже без внесения удобрений. Максимальное вымывание азота 130—170 кг/га отмечалось на участках с компостными удобрениями. Опыты показали, что основное количество азота вымывается в зимний период. Это обстоятельство является причиной непопулярности осенне-зимнего внесения азотных удобрений.
Многочисленными исследованиями агрохимиков ФРГ установлено, что в грунтовых и поверхностных водах накапливаются в первую очередь азот и фосфор, а также органические соединения, поступающие из навоза и удобрений. При внесении удобрений потери питательных элементов путем вымывания могут происходить при поверхностном стоке, эрозии и дренажном стоке. Более 90% потерь азота приходится на вымывание нитратов в зимний период. Летом азот теряется лишь из парующей почвы. Мощный растительный покров является лучшей мерой против вымывания нитратов.
Под растительным покровом даже на склонах поверхностный сток не возникает. В зимний период значительная часть вымываемого азота приходится на минерализуемый гумус почвы. Потери азота и загрязнение грунтовых вод бывают более заметными при внесении подстилочного навоза, экскрементов, жидкого навоза, осадка сточных вод, компостов и т. д. Применение соломы в качестве удобрения связывает азот в органическую форму и уменьшает его потери из почвы. Дробное внесение азотных удобрений по фазам развития растений предотвращает потери азота.
Фосфаты чаще всего теряются при эрозии почвы. Потери водорастворимых фосфатов с поверхностным смывом обычно небольшие. При береговой эрозии в воды попадает часть фосфора из окружающего почвенного покрова. Величина вымываемого фосфора на различных участках составляет в среднем 0,2 кг/га. Накопление фосфатов в грунтовых и поверхностных водах зависит от почвенно-климатических условий, структуры посевной площади, характера использования почвы, интенсивности осадков и их распределения. Высокая фиксирующая способность глинистых и суглинистых почв обусловливает низкое содержание фосфора в почвенных и грунтовых водах.
Органические удобрения (твердые и жидкие) также являются серьезными загрязнителями грунтовых вод. Амины в жидком навозе и осадках сточных вод, а также аммиак, попадая в водоемы и реки, могут вызывать отравление рыб. Существенное загрязнение речных и озерных вод обусловливают нерегулируемые водопои животных.
Все это диктует настоятельную необходимость значительно расширять изучение всех возможных потерь питательных веществ из почвы и разрабатывать эффективные меры, предотвращающие загрязнение окружающей среды.
Причин развития эрозионных процессов много. Основными из них являются: нерегулируемые ливневые осадки и паводковые стоки, вырубка лесов, распашки целинных и залежных земель без учета возможного развития эрозии и пагубных ее последствий, ненормированная пастьба скота, нарушение агротехнических мероприятий (усиленная механическая обработка, монокультура, неправильный подбор культур в севооборотах на склоновых землях, сжигание стерни и т. д.), отсутствие элементарных противоэрозионных мероприятий (залужение склоновых земель, контурная вспашка, посадка приовражных лесополос, приемы задержания талых вод и т. д.). Там, где применяются прогрессивные агротехнические и противоэрозионные мероприятия, ущерб земледелию от эрозии значительно снижается.
В комплекс мероприятий по борьбе с эрозией и потерями питательных веществ из почвы включаются следующие приемы:
- система противоэрозионной обработки почвы — безотвальная плоскорезная, минимальная, полосная, контурная, гребнистая, ячеистая, чизелевание почвы и т. д.;
- внедрение террасного, полосного земледелия и противоэрозионных севооборотов;
- содержание эродированных почв под растительностью. В связи с этим большое значение имеет использование пожнивных посевов, а также уплотненные посевы почвозащитных культур в междурядьях, основных (пропашных) культур. Этот прием особенно эффективен на легких почвах;
- залужение участков, сильно подверженных эрозии;
- правильный выбор форм, доз, сроков и способов внесения и заделки удобрений, предотвращающих потери питательных веществ при смыве и выщелачивании из почвы;
- применение полимеров-структурообразователей.