Статья: Оценка энергетического ресурса деградированных почв сельскохозяйственных угодий

Оценка энергетического ресурса деградированных почв сельскохозяйственных угодий «Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ и Администрации Волгоградской области в рамках научного проекта № 18-416-342004 р_мк»

Л.В.Кирейчева

Рассмотрены процессы деградации зональных почв европейской части России и обоснованы основные агрохимические показатели, определяющие степень деградации. Разработаны теоретические подходы к оценке энергетического состояния почвы в зависимости от степени деградации и предложена методика определения биоэнергетического потенциала почвы, основанная на биогенной энергии, которая рассчитывается через количество АТФ, синтезированное клеткой при полном биологическом окислении органического вещества до углекислого газа и воды, исходя из его элементного состава на основе стехиометрии, закономерностей процессов биологического окисления и термодинамических законов. Зная содержание элементного углерода, водорода и кислорода в органическом веществе, можно рассчитать количество биогенной энергии, извлекаемой клеткой в процессе полного биологического окисления субстрата до углекислого газа. Это позволило, без изучения строения и метаболических путей, рассчитать биоэнергетическую ценность или биоэнергетический потенциал (БЭП) любого органического соединения, в том числе лабильной части гумуса почвы. Приведен алгоритм восстановления деградированных почв, включающий определение биоэнергетического потенциала гумуса, расчет количества биогенной энергии для восстановления оптимального функционирования деградированных почв. Для восполнения утраченной энергии выполнено обоснование расчетных доз внесения органического удобрения для восстановления энергетического ресурса почвы.

Ключевые слова:, почва, деградация, агрохимические показатели, гумус, плодородие энергетический ресурс, биоэнергетический потенциал, утраченная энергия

деградация почва биоэнергетический

Введение

В последние десятилетия на сельскохозяйственных угодьях России складывалась ситуация, приводящая к развитию деградационных процессов, основным из которых - потеря органического вещества почвы или дегумификация. Это связано как с недостаточным внесением органических удобрений, которые являются сырьем для процессов гумификации, так и минеральных удобрений, необходимых для роста и развития сельскохозяйственных растений. По данным Министерства сельского хозяйства в настоящее время наблюдается отрицательный баланс питательных веществ, их ежегодный вынос из почвы с урожаем сельскохозяйственных культур значительно превышает возврат с вносимыми минеральными, органическими удобрениями и растительными пожнивными остатками. В период с 2006 по 2011 год из почвы с урожаем было вынесено 55,8 млн. тонн питательных веществ, при этом внесено в почву только 25,66 млн. тонн. Отрицательный баланс питательных веществ за 6 лет составил 30,2 млн. тонн д.в. [2]. Все это привело к усилению минерализации гумуса.

Кроме того, за счет сельскохозяйственной деятельности при многократных обработках почвы, проведения мелиоративных мероприятий улучшается жизнедеятельность почвенных микроорганизмов и ускоряются процессы минерализации гумусовых веществ, так как повышение интенсивности сельскохозяйственного производства усиливает объем биологического круговорота. Одновременно с потерей органического вещества происходит изменение водопрочной структуры почвы, снижение внутриагрегатной порозности и уплотнение почвенного профиля. Все эти процессы снижают энергетический ресурс почвы и приводят к потере продуктивности. Почва является национальным достоянием и от ее биосферных функций во многом зависит не только продовольственная безопасность страны и «здоровье» экосистемы, но в конечном итоге, благосостояние человека. «Всемирная хартия почв гласит: главной целью для всех сторон является обеспечение рационального управления почвами и восстановление или возрождение деградированных почв» [5].

При восстановлении деградированных почв и доведении их гумусового состояния до оптимального уровня необходимо не только обеспечить почву достаточным количеством органического вещества и минеральных элементов питания растений, но самое главное восстановить энергетическое состояние и создать условия для эволюционного развития. Поэтому основная цель исследований заключается в разработке теоретических подходов к оценке энергетической функции почв в зависимости от степени их деградации для обоснования необходимых мероприятий, направленных на восполнение запасов утраченной в процессе деградации энергии. Интегральным показателем деградации почв следует считать такое снижение энергетического состояния почвы, при котором наблюдается изменение основных ее показателей, приводящие к нарушению функционирования и устойчивому снижению продуктивности [6,7].

Методы и объекты исследования

Основной вид энергии, обеспечивающий нормальное функционирование почв это солнечная энергия, которая используется почвами в двух формах: непосредственно в виде теплоты, поступающей в систему в процессе инсоляции, и свободной энергии (?G), способной совершать работу [21]. Если первая определяется климатическими условиями, то вторая вещественным составом почвы и вносимых удобрений. Почвы - результат работы «живого вещества» и как составляющие единой экосистемы Земли, являются открытыми динамическими системами, существование которых поддерживается балансом вещества, энергии и информации, прежде всего, согласно представлениям В.В. Вернадского, через «живое вещество». Важным фактором, определяющим вещественно-энергетический баланс в указанных системах, является почвенная микрофлора, преимущественно гетеротрофы, работа которой осуществляется за счет солнечной энергии, аккумулированной в органическом веществе почвы, что способствует переходу элементов питания в доступную для растений форму. Следовательно, при оценке энергетического состояния органического вещества почвы необходимо опираться на биоэнергетические закономерности трансформации энергии в живых системах, которые были открыты в середине прошлого века отечественными биохимиками (В.А. Энгельгардтом, В.П. Скулачевым и др.) [24]. Поэтому, для оценки энергетического состояния почв целесообразно использовать, наряду с термодинамическими законами [15], и биоэненргетические закономерности. Данные закономерности позволяют рассчитать количество энергии органического вещества почвы, используемое почвенными микроорганизмами на работу по минерализации почвенного гумуса. Согласно законам термодинамики, превращение любой формы энергии в работу сопровождается большой диссимиляцией энергии, коэффициент полезного действия любой термодинамической системы составляет не более 40%. Но именно эта часть энергии является полезной и ее следует учитывать при энергетической оценке почвенного гумуса, как пищевого субстрата почвенной микробиоты. Количество энергии, превращенной организмом в работу, можно рассчитать через количество универсального аккумулятора энергии в биологических системах - аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ), синтезированной организмом за счет энергии полного окисления органического субстрата и используемой организмом для совершения всех типов работы [24].

При всем разнообразии структуры, органические вещества имеют общее свойство: в них содержится аккумулированная солнечная энергия, которая обеспечивает существование гетеротрофов, в том числе и почвенных микроорганизмов. Наиболее эффективный способ получения энергии клеткой из органического субстрата - биологическое окисление при участии кислорода - аэробный метаболизм. Тем не менее, даже аэробный метаболизм не позволяет гетеротрофу использовать всю солнечную энергию, аккумулированную в химических связях органического вещества. В противном случае оценить энергию органического вещества почвы (?G), можно было бы по тепловому эффекту процесса горения, что и применялось ранее в классических оценках энергетического состояния почвы [15, 18]. Именно биогенная энергия дает возможность совершить всю работу в почве «живого вещества» и ее следует учитывать при энергетической оценке почвенного гумуса.

В основу методики расчета энергетической функции почвы положен следующий подход. Энергия, извлекаемая клеткой из пищевого субстрата в результате биологического окисления, аккумулируется в универсальном энергетическом посреднике - органических фосфатах, прежде всего в аденозинтрифосфорной кислоте (АТФ), а затем используется на все биологические процессы, требующие затрат энергии. При энергетической оценке органического вещества почвы учитывается биогенная энергия, которая рассчитывается через количество АТФ, синтезированное клеткой при полном биологическом окислении органического вещества до углекислого газа и воды. Известно, что при синтезе клеткой концевых макроэргических связей в одном моле АТФ аккумулируется 30,5 кДж/моль энергии [13]. Таким образом, рассчитав количество АТФ, образованное в результате полного биологического окисления органического вещества (пищевого субстрата клетки), можно рассчитать биогенную энергию органического вещества. Сложность данного подхода состоит в том, что для расчета количества АТФ требуется знание строения органических веществ для определения их метаболических процессов. Предлагаемая методика позволяет рассчитать биогенную энергию (биоэнергетический потенциал) любого органического вещества, исходя из его элементного состава на основе стехиометрии, закономерностей процессов биологического окисления и термодинамических законов [27]. При этом количество биогенной энергии органического субстрата определяется стехиометрическим соотношением трех элементов: углерода, водорода и кислорода. Процессы окисления - снятие электронов с субстрата, сопровождаются в биологических объектах снятием водорода, переносчика электронов в составе эквивалентов, количество водорода в органическом соединении определяется количеством и валентными возможностями углерода и кислорода. Известно, что перенос двух электронов и двух протонов (2з, 2Н+) с субстрата в процессе биологического окисления, обеспечивает синтез до трех молекулы АТФ [13]. Но в процессе окисления участвуют не только протоны Н+ биологического субстрата, но и протоны Н+, полученные из воды, которая является донором кислорода при биологическом окислении. Весь элементный кислород воды и биологического субстрата используется на образование углекислого газа (СО2). Количество углекислого газа определяется содержанием элементного углерода в органическом субстрате. Таким образом, по количеству углекислого газа можно рассчитать количество воды, а значит и водорода, который идет на биологическое окисление данного субстрата. Следовательно, зная содержание элементного углерода, водорода и кислорода в субстрате, можно рассчитать количество воды, необходимое для его полного окисления, и на этой основе рассчитать количество биогенной энергии, извлекаемой клеткой в процессе полного биологического окисления субстрата до углекислого газа. Это позволяет без изучения строения и метаболических путей рассчитать биоэнергетическую ценность или биоэнергетический потенциал (БЭП) любого органического соединения.

При известном элементном составе органического соединения, количество БЭП можно рассчитать по следующей стехиометрической формуле.

БЭП= 183С+ 45,75Н - 91,5О (кДж/моль) (1)

где С, Н и О - атомные доли или индексы элементов углерода, водорода и кислорода в молекуле органического субстрата.

Или, если известны массовые доли элементов в органическом веществе:

БЭП=(15,25С+45,75Н-5,71875О)/(С+Н+О)(кДж/г) (2)

где С, Н, О - массовые доли элементов углерода, водорода и кислорода в веществе (%) [24].

Для данной энергии целесообразно использовать термин «биоэнергетический потенциал» органического вещества - наибольшее количество энергии, которое можно превратить в работу через биологические системы. Именно этот показатель определяет актуальную энергетическую функцию конкретной почвы.

Объект исследований - зональные почвы европейской части России. На основе анализа многочисленных литературных источников экспертным путем были установлены оптимальные значения агрохимических показателей, определяющие продуктивность почвы, а также их значения, соответствующие слабой, средней и сильной степени деградации (таблица 1). Оптимальным принято считать такие значения агрохимических показателей почвы, при которых обеспечивается планируемый урожай при условии максимальной эффективности использования вносимых удобрений и применяемых агротехнических мероприятий. Оптимальное содержание гумуса в почве обеспечивает благоприятные для растений водно-физические свойства почвы, высокую буферность и емкость катионного обмена, устойчивый пищевой режим. Степень деградации почвы в условиях сельскохозяйственного производства оценивается по ее продуктивности.

Таблица 1 - Осредненные значения агрохимических показателей зонально-провинциальных почв в оптимальном состоянии и при различной степени деградации по литературным источникам [1,3,4,10,11,12,14,16, 17,20,22,25,26].

Примечание. Таблица составлена Ю.Г.Безбородовым, Е.А.Лентяевой, Л.В.Кирейчевой [6,7]

Алгоритм выполнения расчетов включал определение биоэнергетического потенциала лабильной части гумуса, расчет количества биогенной энергии для зональных почв при оптимальном содержании гумуса и при слабой, средней и сильной степени деградации почвы, а также обоснование количества утраченной почвой энергии. Для доведения энергетического ресурса деградированных почв до оптимального состояния определено необходимое количество внесения органического вещества, позволяющего компенсировать утраченную почвой энергию.

Результаты и их обсуждение

Анализ таблицы 1 показал, что, несмотря на общую тенденцию снижения запасов гумуса и ухудшения агрохимических показателей, почвы по-разному реагируют на проявление деградационных процессов. Наибольшие изменения агрохимических показателей наблюдается в дерново-подзолистых и светло-каштановых почвах, в них происходит значительное снижение запасов гумуса на 70-80%, кроме того наблюдается снижение содержания питательных элементов, в частности азота на 90-75%, фосфора - 84-80% и калия на 62-80%. Одновременно происходят различные физико-химические процессы: в дерново-подзолистых почвах происходит снижение pН с 6,0 до 4,6, то есть развивается процесс окисления почвы, а в светло-каштановых почвах, наоборот, наблюдается процесс ощелачивания, pH повышается с 7,5 до 8,2. Меньше всего подвержены процессам деградации почвы черноземного типа: снижение гумуса в черноземе обыкновенном составляет 30%, в черноземах выщелоченном и типичном - 45% и в черноземе южном - 50%. Практически во всех типах черноземов происходит значительное снижение азота до 75%, а снижение калия составляет лишь 28-30%. Исключением является чернозем выщелоченный, в нем наблюдается резкое снижение всех питательных веществ, а именно азота на 75%, фосфора на 73%, калия на 85%. Наиболее развиты процессы ощелачивания в черноземе выщелоченном, значение pH увеличивается от 6,5 до 7,4. Наблюдается изменение соотношения гуминовых и фульвокислотв почвенном гумусе: у дерново-подзолистых почв в 3 раза, у светло-каштановых и бурых пустынно-степных в 2 раза, а у серых лесных в 1,5 раза. Для черноземов характерны следующие изменения: у выщелоченного - в 1,8 раза, типичного в 1,6 раза, обыкновенного в 1,4 раза, южного в 1,1 раз, что свидетельствует о трансформации органического вещества почвы. Также следует отметить, что процессу деградации сопутствуют единые для всех типов почв процессы, влияющие на физические свойства, в частности, их уплотнение.