Determination of environmental problems of agricultural nature management based on modular geochemical indicators

Cover Page

Cite item

Abstract

Central Chernozem is one of the largest agricultural regions in Russia. As a result of the long period of natural resources use the anthropogenic load on agricultural lands is increasing. The result of agricultural nature management is the increase of land degradation processes. Voronezh Region has a high agro-climatic potential, most of the territory is occupied by agricultural land, arable land prevails among them. Soil degradation is the most acute problem. There is a need to assess the impact of agricultural natural resources use on land resources of the region. Modular coefficients for assessment of geochemical impact of agriculture and animal husbandry on agricultural systems are proposed. The developed factor is a tool for identification of negative land use processes and environmental problems. The article deals with the issues of ecologically oriented, scientifically grounded strategy of agricultural nature management. Ecological approach to assessment of soil quality in the future will develop a strategy for balanced land use. The article has a scientific and practical character and is aimed at the development of methods of ecological assessment of soil quality. The proposed methodological approach identifies destructive processes in soils. For ecologically oriented strategy of development of regions it is important to define maximum allowable agricultural loads for preservation of sustainable environment.

Full Text

Введение Для обоснования экологической безопасности сельскохозяйственного природопользования и устойчивого развития регионов необходима организация комплексного сельскохозяйственного мониторинга для ограничения антропогенного воздействия. Острота экологических проблем сельскохозяйственного природопользования определена недостаточной изученностью взаимосвязи природно-антропогенных процессов и последствий негативного воздействия на агросистемы [1]. Предлагаемые принципы и критерии отбора геохимических показателей в почвах определяются необходимостью создания экспрессмониторинга на основе геоинформационных технологий. В этой связи в концептуальном плане возникла необходимость обосновать интегральные показатели для определения экологического качества агросистем. Методы и материалы Материалом и объектом исследования послужили земельные ресурсы бассейна реки Воронеж. Почвы ее бассейна в результате длительного сельскохозяйственного использования изменяют геохимический фон. Разнообразие почвенного покрова, разные типы природопользования приводят к обострению экологических ситуаций в регионе. Антропогенная трансформация почв рассчитывалась по модулям земледельческого и животноводческого воздействия. Техногенное влияние было определено с помощью коэффициента техногенного воздействия М.А. Глазовской. Балансовые расчеты выявляют экологические проблемы, возникающие под воздействие сельскохозяйственного природопользования. Результаты исследования и их обсуждение 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 связаны с поверхностным стоком, посредством которого из агросистем в среднем может выносится 50 % калия, 20 % фосфора и 10 % азота [2]. В пределах бассейна реки Воронеж площадь посевных площадей составляет 14 700 км2. На основе анализа данных Росстата были рассчитаны показатели урожайности преобладающих сельскохозяйственных культур, представленных в табл. 1. Таблица 1 Ежегодная продукция основных сельскохозяйственных культур в агросистемах бассейна реки Воронеж, ц/га Тип культур Средняя урожайность, ц/га Амплитуда колебаний урожайности Зерновые культуры 23,6 в 6 раз Горох 12,1 в 2 раза Кукуруза 15,1 в 1-2 раза Подсолнечник 11,5 в 1-2 раза Сахарная свекла 176 в 40 раз Table 1 Annual production of main crops in the agricultural systems of the Voronezh river basin, metric centner/ha Type of crop Average yield, metric centner/ha The amplitude of yield fluctuations Cereal crops 23,6 in 6 times Peas 12,1 in 2 times Corn 15,1 in 1-2 times Sunflower 11,5 in 1-2 times Sugar beet 176 in 40 times На территории бассейна реки Воронеж преобладающими являются злаковые, технические, зернобобовые, пропашные агросистемы. В сочетании с другими агросистемами они создают мозаичное геохимическое поле в ландшафтах бассейна. По годам наблюдаются значительные колебания урожайности сахарной свеклы и зерновых культур. Следовательно, 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 (табл. 2). Как видно из табл. 2, дозы внесения удобрений почти постоянны. Таблица 2 Средняя динамика вноса минеральных и органических удобрений [Table 2. The average dynamics of mineral and organic fertilizers] Удобрения [Fertilizers] 1980 1981 1982 1983 1984 Органические, т/га [Organic, t/ha] 2,9 2,2 3,6 3,5 3,8 Минеральные, т/га [Mineral, t/ha] 0,68 0,6 0,7 0,64 0,59 Для определения уровня геохимической сельскохозяйственной нагрузки производился расчет модульных показателей. При этом были определены модуль вноса (Мв), модуль выноса (Мвын) 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, гороха - 27,4 ц/га, свеклы - 176 ц/га. Физический смысл рассчитанных коэффициентов заключается в оценке массы вещества, вносимого и выносимого из почвы, к его содержанию в почве (табл. 3). Таблица 3 Геохимическое воздействие земледелия на ландшафт Тип почвы Типичные черноземы Химические элементы 10-3 10-3 10-3 Модуль запаса Озимая пшеница Горох Сахарная свекла 1,1 1,3 2,2 7 6,5 14 - 1 0,8 Модуль выноса Озимая пшеница Горох Сахарная свекла 3,32 3,65 6,4 1,4 1,25 5,6 3,6 1,67 - Модуль вноса Озимая пшеница Горох Сахарная свекла -2,22 -2,35 -4,2 5,5 5,25 8,4 -2,6 -0,6 -3,3 Table 3 Geochemical effects of agriculture on the landscape Soil type Typical chernoze ms Chemical elements 10-3 10-3 10-3 Stock module Winter wheat Peas Sugar beet 1,1 1,3 2,2 7 6,5 14 - 1 0,8 Stem module Winter wheat Peas Sugar beet 3,32 3,65 6,4 1,4 1,25 5,6 3,6 1,67 - Insertion module Winter wheat Peas Sugar beet -2,22 -2,35 -4,2 5,5 5,25 8,4 -2,6 -0,6 -3,3 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 %. В агросистемах гороха и 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 [3]. В целом по данным 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 его запасов в почве будут варьировать. Для ландшафтов Воронежского лесостепья характерны 3-4 засухи за семнадцатилетний период. 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. Рассчитанный коэффициент роста модулей выноса вещества составляет 0,052, а величина коэффициента роста модулей запасов вещества - 0,038. Сопоставление скорости роста выноса за десятилетие и запасов вещества в почве выявляет тенденцию запаздывания сохранения запасов вещества в почве по сравнению с выносом. В среднем десятилетний период в агросистемах характеризуется умень- шением обменного калия и азота и увеличением обменных форм фосфора на типичных черноземах. Это свидетельствует о негативном сельскохозяйственном воздействии на земельные ресурсы. На агросистемы оказывают влияние техногенное воздействие, которое было рассчитано по методике П.Ф. Глазовского [4]. Модули техногенного давления в бассейне реки Воронеж показаны в табл. 4 Таблица 4 Модуль техногенного давления на лесостепные ландшафты бассейна реки Воронеж [Table 4. Module of technogenic pressure on forest;steppe landscapes of the Voronezh river basin] Химический элемент [Chemical element] Модуль содержания, км2 [Content module, km2] Модуль техногенного давления по П.Ф. Глазовскому [Technogenic pressure module by P.F. Glazovsky] N 10700 0,93 P 1680 0,65 K 5940 0,31 S 4230 0,81 Данные табл. 4 наглядно отражают процесс уменьшения запасов вещества, что свидетельствует об интенсивном характере сельскохозяйственного воздействия. Для Воронежского лесостепья на рубеже XXI века характерна флуктуация климатических процессов, влияющих на процесс почвообразования. Сельскохозяйственное природопользование нарушает природный геохимический и гидрологический фон территории. Сочетание различных типов черноземов определяет структуру и динамику миграционных процессов в почве. В этой связи при организации сельскохозяйственного мониторинга необходимо учитывать контрастность проявления природно-антропогенных процессов. Апробированная система модульных показателей определяет особенности природных и антропогенных факторов в агросистемах. В бассейне реки Воронеж расположено 250 сельских хозяйств, и наряду с земледельческим использованием территории значительное влияние на нее оказывают животноводческие комплексы. В среднем в пределах исследуемой зоны находятся 15 комплексов крупного рогатого скота, 13 свиноводческих и 8 птицефабрик (табл. 5). Таблица 5 Поголовье скота и масса продуцируемого навоза на территории бассейна реки Воронеж Животноводческие комплексы Количество, тыс. голов Выход навоза, тыс. т Крупнорогатого скота Свиноводческие Птицефабрики 560 640 13920 3350 640 98 Table 5 Livestock number and mass of manure produced on the territory of the Voronezh river basin Livestock complexes Quantity, thousands heads The output of manure, thousands tons Cattle Pig breeding Poultry farms 560 640 13920 3350 640 98 Рисунок. Коэффициент животноводческого воздействия по навозу и взвешенному веществу [Figure. Coefficient of livestock impact on manure and declared substance] В настоящее время животноводство, как и земледелие, оказывает значительное воздействие на изменение геохимического фона территории, в том числе на гидросистему бассейна. Для водоснабжения в сельском хозяйстве, особенно животноводстве, используются подземные воды в количестве 243 тыс. м3/сут. При этом только 10 % составляют хозяйственно-бытовые стоки и 90 % производственно-сточные воды. Уровень очистки вод с сельскохозяйственных объектов в настоящее время довольно низок. Только 23 сельскохозяйственных объекта имеют очистные сооружения, причем пять из них расположены перед самым выпуском сточных вод в реку. Очищается всего 3 тыс. м3/сут, 8 тыс. м3/сут используется на орошение. Наиболее высок уровень загрязнения в животноводческих комплексах, расположенных на малых реках. Животноводческие фермы являются источниками загрязнения атмосферного воздуха. Значительна величина бактериального загрязнения. Животноводческие фермы служат поставщиками органических удобрений. 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. Животноводческое воздействие на агросистемы бассейна реки Воронеж отражено на рисунке. Сравнение уровней животноводческого воздействия по общему азоту и органическому веществу с урбосистемами показывает их равнозначность. Следует отметить, изменение структуры и динамики численности поголовья скота. Распределение животноводческих комплексов по территории бассейна неравномерно. Интенсивна степень их воздействия в бассейнах рек Лесного и Польного Воронежа, Иловой и Плавицы. В наиболее неблагоприятных экологических условиях под влиянием животноводства оказываются и аквальные ландшафты, а также пригородные территории. В целом для животноводства характерно постепенное увеличение животноводческой нагрузки, что приводит к независимому варьированию коэффициента геохимической животноводческой нагрузки. Причем этот процесс экспоненциально возрастает во времени. Большая часть массы вещества, продуцируемого животноводством, используется в качестве удобрений, и уровень использования во времени также возрастает. Сельскохозяйственное природопользование в наибольшей степени влияет на структуру и динамику природных массообменных процессов. В земледелии наблюдается значительный уровень геохимического воздействия, который выражается в преобладании выноса вещества из почвенной подсистемы речного бассейна. Урожайность сельскохозяйственных культур по сравнению с началом XX века возросла незначительно, если учитывать среднестатистические данные за десятилетие начала XXI века и современного периода. Животноводство, особенно крупные животноводческие комплексы, являются источниками загрязнения территории, значительно изменяя природный потенциал. Заключение Изучение массообменных процессов в почвах речных бассейнов определяет их функциональный режим. Сельскохозяйственное природопользование усиливает процессы эрозии, загрязнения почв и подземных вод, их переувлажнения и иссушения. Расчеты модульных показателей выявили, что истощение земельных ресурсов происходит за счет несбалансированного сельскохозяйственного природопользования, и позволяют осуществлять более обоснованные прогнозы дигрессионных процессов в почве. Комплексный мониторинг позволит выявить наличие технологических потерь в региональном природно-антропогенном геохимическом фоне.

×

About the authors

Almobarak Falak

Voronezh State Pedagogical University

Author for correspondence.
Email: falak88.2019@gmail.com

PhD student of the Department of Geography and Tourism of Faculty of Geography

86 Lenina St, Voronezh, 394043, Russian Federation

Lidia A. Mezhova

Voronezh State Pedagogical University

Email: lidiya09mezhova@yandex.ru

Candidate of Geographical Sciences, Associate Professor of the Department of Geography and Tourism of Faculty of Geography

86 Lenina St, Voronezh, 394043, Russian Federation

References

  1. Potapova IS. Geoekologicheskaya otsenka sel'skokhozyaistvennogo zemlepol'zovaniya Bobrovskogo raiona [Geoecological assessment of agricultural land use in Bobrovsky district]. Problemy regional'noi ekologii [Problems of regional ecology]. 2012;(3):67–69. (In Russ.)
  2. Potapova IS. Regional'nye problemy ekonomicheskoi bezopasnosti prirodnykh antropo- gennykh ob"ektov [Regional problems of economic security of natural anthropogenic objects]. Regional'nye problemy ekologicheskoi bezopasnosti prirodnykh i antropogennykh ob"ektov [Regional problems of ecological safety of natural and anthropogenic objects]: proceedings of the regional scientific conference (Voronezh, December 12–13, 2008) (p. 76–81.). Voronezh: Voronezh State Pedagogical University; 2008. (In Russ.)
  3. Schkolnaya GP. Biologicheskaya produktivnost' agrotsenozov na tipichnom cher-nozeme i na chernozemno-lugovoi pochve [Biological productivity of agrocenoses on typical Chernozem and on Chernozem-meadow soil]: abstract of the dissertation for the degree of Candidate of Biological Sciences. Moscow; 1978. (In Russ.)
  4. Kasimov NS, Snytko VA. N.F. Glazovsky. Izbrannye trudy [Selected works]: in 2 vols. Bulletin of the Russian Academy of Sciences. 2010;80(11):1044–1045. (In Russ.)

Copyright (c) 2020 Falak A., Mezhova L.A.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies