Природно-хозяйственная оценка почвенного покрова сельскохозяйственных земель Приенисейской Сибири

Размещено на http://www.allbest.ru

На правах рукописи

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора сельскохозяйственных наук

ПРИРОДНО-ХОЗЯЙСТВЕННАЯ ОЦЕНКА ПОЧВЕННОГО ПОКРОВА СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ ЗЕМЕЛЬ ПРИЕНИСЕЙСКОЙ СИБИРИ

03.00.27. - почвоведение

Шпедт Александр Артурович

Красноярск 2009

Работа выполнена на кафедре почвоведения и агрохимии ФГОУ ВПО «Красноярский государственный аграрный университет», г. Красноярск

Научный консультант

доктор сельскохозяйственных наук, профессор Булгаков Дмитрий Сергеевич

Официальные оппоненты:

доктор сельскохозяйственных наук, профессор Едимеичев Юрий Федорович

доктор сельскохозяйственных наук, профессор Сапожников Петр Михайлович

доктор биологических наук, профессор Татаринцев Леонид Михайлович

Ведущая организация

Институт почвоведения и агрохимии СО РАН, г. Новосибирск

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО «Красноярский государственный аграрный университет».

Ученый секретарь диссертационного совета Полонская Д.Е.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Оценка качества почв и земель, определение их стоимости является условием рационального природопользования, экономическим рычагом воспроизводства плодородия, повышения урожайности сельскохозяйственных культур и сохранения экологического равновесия.

На современном этапе земельно-оценочных работ в РФ показатели состояния и качества почв недостаточно используются при экономической, эколого-экономической оценках, а также при определении кадастровой стоимости земельных участков. Оценка почв должна базироваться на показателях, которые отражают генезис почв и существенно влияют на плодородие и урожайность сельскохозяйственных культур.

Наряду с глобальной оценкой почв и земель в масштабе государства необходимы региональные и местные оценки, проводимые для планирования и учета, выбора типов систем земледелия, оптимизации хозяйственного использования земель. Оценки почв на региональном уровне учитывают мелкие таксономические единицы почвенно-географического районирования, детально отражают агроклиматические условия. На местном уровне - дополнительно учитываются элементы мезо- и микрорельефа, соответствующие им условия микроклимата, степень деградации почв, конфигурация полей и т. д. Тем самым реализуется принцип дополнительности агроэкологической оценки почв (Булгаков, 2002).

В настоящее время для многих целей необходима более объективная оценка земель, учитывающая их свойства и соответствующая их реальной стоимости. Она важна при отчуждении земель из сельскохозяйственного оборота, при продаже земель иностранным коммерческим предприятиям, для компенсации негативных проявлений на землях сельскохозяйственного назначения, для восполнения экологических издержек, возникающих, если почва используется не для целей сельского или лесного хозяйств.

Общая площадь сельскохозяйственных земель Приенисейской Сибири составляет 12071,6 тыс. га (в том числе пашня - 4488,3 тыс. га), из них 7477,3 находится в Красноярском крае и Хакасии и 4594,3 тыс. га - в республике Тыва (Почвенный покров и земельные ресурсы РФ, 2001). Основные сельскохозяйственные угодья расположены на черноземах, площадь которых достигает 5114,8 тыс. га. Данные почвы господствуют среди пахотных массивов и служат базой для ведения сельскохозяйственного производства.

Результаты изучения почв Приенисейской Сибири опубликованы в ряде работ (Градобоев, 1954; Коляго, 1954, 1971; Горшенин, 1955; Вередченко, 1961; Рудой, 1968, 1971; Бугаков, 1971, 1971а; Крупкин, 1971, 1993, 2002; Попова, Лубите, 1975; Бугаков, Горбачева, Чупрова, 1981; Ивченко, 1982; Чупрова, 1994, 1997; и др.).

Цель - разработать теоретические основы и практические рекомендации для оценки почв сельскохозяйственных земель, обосновать возможности воспроизводства почвенного плодородия путем применения зеленых удобрений или перевода земель в залежь в условиях Приенисейской Сибири. почва сельскохозяйственный земля плодородие удобрение

Основные задачи:

- оценить органическое вещество почвы и выявить наиболее информативные показатели, характеризующие эффективное плодородие почвы;

- изучить влияние зеленого удобрения на содержание форм гумусовых веществ и элементов питания для растений и выявить условия, при которых зеленое удобрение оказывает положительное влияние на продуктивность растений;

- установить изменения в содержании и запасах органического вещества, форм гумусовых веществ в залежных и пахотных почвах и определить направление их трансформации под влиянием залежи;

- определить роль мезорельефа в формировании гумусного состояния и агрохимических свойств почв и оценить его влияние на урожайность зерновых культур и технологические свойства зерна яровой пшеницы;

- выполнить природно-хозяйственную оценку почвенного покрова сельскохозяйственных земель на основе современных подходов.

Научная новизна. Впервые для Приенисейской Сибири использована почвенно-экологическая, стоимостная оценка почв и разработана система производственно-хозяйственной оценки сельскохозяйственных земель.

Показаны зависимости между содержанием в почве гумусовых веществ и показателями урожайности зерновых культур, на базе которых, применительно к ним, разработаны градации содержания в почве общего гумуса и подвижных гумусовых веществ.

Определены факторы, при которых применение зеленых удобрений оказывает положительное влияние на плодородие черноземов и урожайность зерновых культур.

Предложен подход, согласно которому в условиях залежи восстановление гумусного состояния черноземов происходит пропорционально продолжительности периода биологической активности (ПБА) почв.

Содержание форм гумусовых веществ в почвах и величина урожайности зерновых культур связаны с условиями мезорельефа. Предложены поправочные коэффициенты к ценности почв, учитывающие позитивное и негативное воздействия мезорельефа на урожайность сельскохозяйственных растений.

Разработана автоматизированная электронная система оценки почв сельскохозяйственных земель, позволяющая использовать материалы почвенно-агрохимического обследования и оперативно определять ценность почв.

Защищаемые положения:

1. Оценка почв сельскохозяйственных земель на природно-хозяйственной основе определяется через ценность органического вещества почвы, подвижных элементов питания и растительной продукции.

2. Линейные прямые зависимости между урожайностью зерновых культур и содержанием гумуса, подвижных гумусовых веществ в черноземах определяются при достаточно низком количестве этих соединений, соответственно, до 4,0% и до 300 мг С/100 г почвы. Такое содержание гумусовых веществ, на фоне высокой обеспеченности элементами питания, не лимитирует урожайность зерновых культур.

3. Эффективность использования зеленых удобрений для повышения содержания гумусовых веществ, подвижных элементов питания и урожайности зерновых культур зависит от первоначальных запасов растительного вещества в почве, погодных условий, количества и сроков внесения удобрений.

4. Условия мезорельефа влияют на гумусное состояние и агрохимические свойства пахотных почв, в значительной мере определяют урожайность зерновых культур, и тем самым, повышают или понижают ценность почв на 5-35%.

Практическая значимость работы. Основные результаты работы расширяют представления о связях органического вещества почв с подвижными элементами питания и урожайностью сельскохозяйственных растений. Оценка ценности гумуса черноземов Приенисейской Сибири может выполняться в соответствии с методикой природно-хозяйственной оценки почв, разработанной в Почвенном институте им. В.В.Докучаева.

Дополнены сведения о влиянии зеленого удобрения на эффективное плодородие черноземов и урожайность зерновых культур. Определены условия эффективного использования зеленых удобрений.

Применительно к земледельческой территории Приенисейской Сибири адаптирована методика оценки почв на природно-хозяйственной основе, а созданная автоматизированная электронная система оценки почв сельскохозяйственных земель позволяет на современном уровне устанавливать ценность почв земельных угодий.

Обосновывается возможность накопления гумусовых соединений в черноземах под влиянием многолетней залежи в зависимости от ПБА почв. Такой подход позволяет определять период восстановления гумусного состояния черноземов и установить сроки их вовлечения в сельскохозяйственное производство.

Получены знания о роли рельефа в формировании гумусного состояния и агрохимических свойств, которые необходимы для понимания генезиса и выявления особенностей эффективного плодородия почв, образовавшихся в склоновых условиях. Выявлена необходимость дифференцированного размещения посевов сельскохозяйственных культур относительно элементов мезорельефа.

Выполнен расчет ценности ряда почв, широко используемых в сельскохозяйственном производстве. Показано, что расширение площади пашни целесообразно осуществлять путем распашки залежных черноземов и темно-серых лесных почв.

Выводы диссертационной работы нашли отражение в учебных пособиях (Курсовая работа по почвоведению, 2007; Учебная практика по почвоведению и агрохимии, 2008) и методических указаниях которые используются в учебном процессе при подготовке студентов агрономического, экологического и землеустроительного факультетов КрасГАУ.

Работа выполнена в соответствии с программой исследований ФГОУ ВПО КрасГАУ «Оценка состояния почвенного плодородия и биологической продуктивности агроэкосистем за период сельскохозяйственного использования юга Средней Сибири (в пределах Красноярского края)» (Регистрационные номера 01.2.001 03880; 01.2.006 13786) и проектами Красноярского краевого фонда «Наука» («Разработка метода оценки продукционной способности пашни с использованием отражательной БИК-спектроскопии», грант 7F0035, 1999г; «Разработать градации агроэкологической дифференциации почвенного покрова лесостепной зоны Приенисейской Сибири», грант 11F084С, 2002г.). Часть исследований проводилась по Государственному контракту (договор № 92-18 от 01.08.07.) между Агентством сельского хозяйства администрации Красноярского края и ФГОУ ВПО КрасГАУ на разработку научно-технической работы по теме: «Проведение эколого-экономической оценки плодородия залежных земель Красноярского края и разработка мероприятий по восстановлению их в пашню или трансформации в залежь».

Апробация работы. По теме диссертации опубликовано 43 печатных работ, из них 19 в журналах, рекомендованных ВАК РФ. Получен 1 патент РФ.

Результаты исследований представлялись и докладывались: на региональных научных конференциях (Красноярск, 1991, 1993, 1997); на научных чтениях посвященных 105-летию со дня рождения Н.В. Орловского (Абакан, 2004); на 14-м Сибирском почвенно-агрохимическом семинаре «Актуальные вопросы сохранения плодородия почв и регуляции продукционного процесса растений» (Новосибирск, 2005); на Всероссийских научных конференциях (Красноярск, 1998, 1999, 2000, 2005, 2006, 2007; Санкт-Петербург, 2005); на Международных научных конференциях (Барнаул, 2006; Иркутск, 2006; Астрахань, 2007); V съезде Общества почвоведов им. В.В. Докучаева (Ростов-на-Дону, 2008); на научных конференциях профессорско-преподавательского состава и научных семинарах кафедры почвоведения и агрохимии КрасГАУ (Красноярск, 1995, 1997, 1998, 2004, 2005, 2006, 2008).

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 частей, выводов, практических рекомендаций, списка цитируемой литературы и приложений, изложена на 370 страницах машинописного текста, проиллюстрирована 90 таблицами и 11 рисунками. Список литературы включает 387 названий, из которых 21 на иностранных языках.

Личный вклад автора. Автор принимал непосредственное участие в постановке задач, проведении полевых и экспериментальных исследований за период 1993-2008 гг.; сборе первичных данных, обработке, анализе и интерпретации результатов, систематизации материала, их практической реализации

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во ВВЕДЕНИИ на основе краткого аналитического обзора современного состояния исследований обоснована актуальность выбранной темы, сформулированы цель и задачи работы, представлены основные положения, выносимые на защиту.

ЧАСТЬ 1. ОСНОВНЫЕ ФАКТОРЫ ПРИРОДНО-ХОЗЯЙСТВЕННОЙ ОЦЕНКИ ПОЧВЕННОГО ПОКРОВА СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ ЗЕМЕЛЬ

Приводится описание, по опубликованным ранее материалам, основных факторов природно-хозяйственной оценки почв сельскохозяйственных земель региона исследований: геоморфологических и ландшафтных условий (Градобоев, Коляго, 1954; Воскресенский, 1962; Геоморфологическое районирование СССР, 1980; Крупкин, 1976; Крупкин, Пахтаев, Топтыгин, 1993, 2002), климата (Бахтин, Орловский, 1971; Агроклиматические ресурсы…, 1974; Зубаилова, 2000), почвообразующих пород и почвенного покрова (Градобоев, Коляго, 1954; Вередченко, 1961; Орловский, 1971; Бугаков Горбачева, Чупрова, 1981; Танделов, 1998; Крупкин, 2002; и др.). Показана динамика агрономических свойств почв сельскохозяйственных земель. Рассмотрены роль и значение органического вещества в формировании и оценке плодородия почв (Фокин, 1975; Когут, 1982, 1996, 2003; Бурлакова, 1984; Сорокина, 1985; Горбылева, Воробьев, 1989; Дьяконова, Титова, Когут, Исмагилова, 1990; Жуков, 1990, 1991; Когут, Масютенко, 1992; Крупкин, 1993, 2002; Жуков, Сорокина, 1998; Кирюшин, 1996; Ганжара, 2001; Савич, Амергужин, Карманов и др., 2003; и др.).

ЧАСТЬ 2. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Объектами изучения являются зональные почвы равнинной части Приенисейской Сибири, представленные черноземами разных подтипов, серыми лесными и дерново-подзолистыми. Полевые исследования проводились в лесостепной зоне в пяти природных округах: Канском, Красноярском, Назаровском, Чулымо-Енисейском, Южно-Минусинском. Привязка объектов к тому или иному природному округу выполнена в соответствии с разработками (Топтыгин, Крупкин, Пахтаев, 2002; Крупкин, 2002).

Влияние содержания и состава гумуса на подвижные формы азота и подвижный фосфор изучали в полевых опытах в ОПХ «Минино» в 1997 и 2002гг. В 2003г. исследования были продолжены на полях АО «Искра» и АО «Локшинское» в пределах Чулымо-Енисейского природного округа.

Влияние содержания и состава гумуса, форм азота на урожайность зерновых культур изучали в микрополевом опыте и в полевых опытах в 1994-1998, 2002 и 2005 годах. Опыты были заложены на полевом стационаре кафедры почвоведения и агрохимии Красноярского государственного аграрного университета и в ОПХ «Минино» (56⁰ с.ш., 93⁰ в.д.) Красноярского НИИ сельского хозяйства, расположенных на территории Красноярского природного округа.

Для изучения влияния зеленых удобрений на свойства почвы и продуктивность зерновых культур был заложен микрополевой опыт на полевом стационаре кафедры почвоведения и агрохимии в 1993г. Опыт закладывался на фоне первоначальных запасов растительного вещества в почве 5-7т/га. В качестве зеленого удобрения использовался донник (Melilotus officinalis, сорт Омский скороспелый). Опыт был заложен в сосудах без дна площадью 0,1м². Повторность 5-кратная. Проведено три закладки опыта в 1993г. (1 закладка), в 1996г. (2 закладка) и в 1999г. (3 закладка). Схема опыта включала варианты с чистым неудобренным паром и удобренным паром. На удобренных вариантах в почву в разные сроки вносили донник из расчета 11,6т/га (1 закладка опыта), 5,6 т/га (2 закладка опыта), 1,1-2,5 т/га (3 закладка опыта) воздушно-сухого вещества. Возделывались зерновые культуры. Опыт позволил нивелировать пространственную неоднородность почвы и изучить сроки и нормы внесения зеленых удобрений.

Изучение влияния разновозрастных залежей на гумусное состояние почв проводилось в 2003-2006 гг. в четырех природных округах (Канском, Красноярском, Назаровском, Южно-Минусинском). При исследовании гумусного состояния использовали сравнительный анализ ряда почв залежных и распаханных участков.

Изучение влияния мезорельефа на гумусное состояние черноземов и урожайность зерновых культур проводилось в Красноярском природном округе (ОПХ «Минино») в 1998-2000г.г., в 2005г. (Красноярская плодово-ягодная станция), и в Чулымо - Енисейском природном округе в ЗАО «Игрышенское» в 2003-2004г.г. Опыты закладывались по следующей схеме: 1.Плато (конроль); 2.Южный склон; 3.Ложбина; 4.Северный склон. Указанные элементы рельефа являлись естественными образованиями с определенными свойствами.

Природно-хозяйственная оценка выполнялась для ряда почв составляющих основу пашни Приенисейской Сибири: дерново-подзолистая, светло-серая лесная, серая лесная, темно-серая лесная, чернозем оподзоленный, чернозем выщелоченный, чернозем обыкновенный, чернозем южный, лугово-черноземная и аллювиально-луговая почвы. Оценка почвенного покрова проводилась для сельскохозяйственных угодий АО «Искра» и АО «Локшинское» (Чулымо-Енисейский приодный округ). Первичные материалы для расчета ценности почв землепользований были предоставлены Государственным центром агрохимической службы «Красноярский».

Отбор почвенных образцов для анализа проводился ежегодно в мае - начале июня с помощью агрохимического бура на глубину 0-20см, а уборка урожая зерновых культур - в конце августа - начале сентября. Учет урожая выполнялся сопряжено отбору почвенных образцов. На разных опытах выборка парных значений колебалась от 16 до 50. Каждый вариант был представлен 5-10 объединенными пробами, состоявшими из 15 единичных проб. При изучении влияния мезорельефа на каждом варианте опыта закладывались почвенные разрезы, из которых по генетическим горизонтам также отбирались почвенные образцы.

Условия тепло- и влагообеспеченности вегетационного периода в годы исследований были различными: 1993 г. характеризовался как теплый и недостаточно влажный (ГТК=1,07); 1994, 2005 гг. - жаркие и недостаточно влажные (ГТК=1,11; 1,14); 1995, 1999-2001 гг. - жаркие и сухие (ГТК=0,88; 1,01; 0,94; 0,92); 1996 г. - недостаточно теплый и влажный (ГТК=1,28); 1997 г. - недостаточно теплый и сухой (ГТК=0,94); 1998 г. - теплый и сухой (ГТК=0,72); 2002 г. - жаркий и влажный (ГТК=1,43); 2003, 2004 гг. - теплые и влажные (ГТК=1,39; 1,28).

Для общей характеристики почвы анализы проводили общепринятыми агрохимическими методами исследования почв: рН водной и солевой 1 н. КСl суспензий - потенциометрически; гидролитическую кислотность - по Каппену; сумму обменных оснований по Каппену - Гильковица; подвижный фосфор и обменный калий - по Чирикову; валовой азот - методом Къельдаля.

Содержание гумуса (С_гумуса) определяли по методу И.В.Тюрина, водорастворимый гумус (С_Н2О t) - методом бихроматной окисляемости (по Тюрину). Для извлечения подвижной части гумуса (С_{0,1 н. NаОН}) использовали 0,1 н. NаОН при соотношении почвы и растворителя 1:20, а для лабильного органического вещества (Слов) - тяжелую жидкость (Р=1,9-2,0 г/см³). Гуминовые кислоты, в составе подвижного гумуса, осаждали серной кислотой, а содержание фульвокислот рассчитывали по разности между общим содержанием подвижных гумусовых веществ и содержанием гуминовых кислот. Определение нитратного азота (N-NО₃) проводилось на нитратомере НМ-002 при экстрагировании нитратов из почвы алюмокалиевыми квасцами и соотношением почвы и реактива 1:5. Аммонийный азот (N-NН₄) определяли колориметрическим методом в присутствии реактива Несслера, а содержание легкогидролизуемого азота (N_гидр.) - по Корнфилду. Методики изложены в различных источниках, основными из которых были: Агрохимические методы исследования почв (под ред. Соколова, 1975); Руководство по химическому анализу почв (Аринушкина, 1970). Обработка экспериментальных данных проведена методами статистического анализа.

Оценка почв сельскохозяйственных земель выполнялась в соответствии с положениями, подходами и формулами, разработанными в Почвенном институте им. В.В.Докучаева (Оценка природно-антропогенных воздействий …, 2001; Карманов, Булгаков, Карманова и др., 2002; Карманов, Булгаков, 2003). Предлагаемая методика была адаптирована и детализирована применительно к условиям Приенисейской Сибири. Для более объективной оценки почв сельскохозяйственных земель использовались материалы почвенно-агрохимического обследования. Определение стоимости почв проводилось на основе ценности почвенного гумуса, подвижных форм питательных веществ и естественной растительной массы. На базе Microsoft Excel была разработана автоматизированная электронная система расчета ценности почв, позволяющая экономить ресурс времени и существенно упростить процесс оценки почв земель сельскохозяйственного назначения (Шпедт, Александрова, 2004).

ЧАСТЬ 3. ОЦЕНКА И ОПТИМИЗАЦИЯ ОРГАНИЧЕСКОГО ВЕЩЕСТВА ПОЧВ

3.1 Оценка и оптимизация органического вещества почв под зерновые культуры

Учитывая роль подвижного азота и фосфора в земледелии, важно проследить тесноту связи между их содержанием в почве и содержанием общего гумуса и подвижных гумусовых веществ.

В АО «Локшинское» в выборку вошли 40 элементарных участков. По зерновому предшественнику фиксировалась обратная средняя корреляционная зависимость между содержанием в почве нитратов и показателями гумусного состояния почв (табл. 1). Зависимости между содержанием подвижных гумусовых веществ, отношением С_гк:С_фк и содержанием нитратов были теснее и достовернее по сравнению с зависимостью между общим содержанием гумуса и нитратным азотом. Полученные зависимости показывают, что чем выше содержание подвижных гумусовых веществ в почве, в том числе гуминовых кислот и фульвокислот, а также чем шире отношение С_гк:С_фк, тем меньше накапливается нитратного азота в почве. Накопление в почве минерального азота зависит от скорости и направленности процессов минерализации-иммобилизации. Данные процессы идут в почве одновременно, однако их интенсивность может существенно различаться, сдвигаться в одну и другую стороны. В почве полей АО «Локшинское» содержание нитратного азота было очень высокое, что предполагает интенсивную иммобилизацию азота, и объясняет, по нашему мнению, обратную зависимость между изучаемыми признаками.

Наиболее тесная зависимость получена между содержанием азота нитратов и совокупностью двух признаков, а именно - количеством подвижных гумусовых веществ и отношением С_гк:С_фк (R=0,55). Доля изменений, зависящих в данном явлении от изучаемого фактора, составляет 30%.

Зависимости между содержанием подвижных фосфатов и содержанием гумусовых веществ в полях, где возделывалась яровая пшеница, не имеют статистического подтверждения. Это связано с использованием фосфорных удобрений при возделывании культуры.

Связь между содержанием гумуса и содержанием подвижного фосфора в почве парующегося поля прямая и средняя. Наиболее тесная и значимая зависимость зафиксирована между содержанием в почве подвижного фосфора и количеством подвижных гумусовых веществ: r=+0,72±0,23. Полученные результаты согласуются с последними научными разработками в данной области. Установлено, что в алифатических соединениях гумусовых молекул присутствуют положительно поляризованные (электрофильные) атомы углерода, которые создают условия для присоединения к ним Nu-частиц (Кудеярова, 2006).

Достаточно информативным стало использование коэффициента множественной корреляции, позволившее выявить зависимость между содержанием подвижных фосфатов и совокупным действием количества подвижных гуминовых кислот и фульвокислот и их соотношением. Коэффициенты множественной корреляции и детерминации, в данном случае, являются высокими, значимыми и составляют, соответственно, 0,75 и 0,56.

В почвах под паром не было получено математически значимых зависимостей между содержанием нитратного азота и общим и подвижным содержанием гумусовых веществ и отношением С_гк:С_фк. Между содержанием подвижных гумусовых веществ, отношением углерода лабильных гуминовых кислот и фульвокислот и содержанием нитратов фиксируются слабые зависимости, что вероятно обусловлено определенной сбалансированностью на конец периода парования процессов минерализации и иммобилизации в почве. Подобные зависимости обнаруживаются в полевых опытах, проведенных в ОПХ «Минино» и в АО «Искра».

Следующим этапом работы стало выявление количественного влияния гумуса, подвижных гумусовых веществ на продуктивность зерновых культур. Фиксируется прямая, средняя корреляционно-регрессионная зависимость между содержанием в почве гумуса, подвижных гумусовых веществ и урожайностью зерновых культур. Связь имеет место только при достаточно низких значениях содержания гумуса (1,22-2,93 %С) и подвижных гумусовых веществ (90-393 мгС/100 г почвы). Средняя урожайность зерна составляет 2,43 т/га. Во всех случаях относительная ошибка опыта не превышала 5%, что указывает на вполне удовлетворительную точность проведения исследования, а вариация значений оценивалась как средняя. Во всех случаях с большим количеством гумусовых веществ в почве обнаруживаются слабые или математически недостоверные зависимости между их содержанием и урожайностью зерновых культур.

Погодные условия в годы проведения опытов были охарактеризованы как теплые и засушливые, что достаточно типично для изучаемого региона.

Проведенные исследования позволили построить, применительно к зерновым культурам, модели урожайности (табл. 2). При построении моделей урожайности использовали методы линейного и нелинейного регрессионного анализа.

Модели урожайности зерновых культур статистически доказываются по критерию Фишера. Зависимость между содержанием в почве гумусовых веществ и урожайностью лучше описывается уравнением степенного типа, которое предусматривает определенную криволинейность. Вероятность попадания в интервал у_min…у_max = 0,95. Парные выборки включали в себя данные полевых опытов разных лет, поэтому ошибка математической модели достаточно большая, около 20%.

Математические модели урожайности позволили рассчитать, в границах доверительного интервала, минимальные, средние и максимальные значения гумуса, подвижных гумусовых веществ и соответствующие им уровни урожайности зерновых культур (табл. 3). Минимальное содержание гумуса соответствует 2,10-3,03%, среднее - 3,02-4,02%, высокое - 4,02-5,10%. На базе данных значений разработана градация содержания гумуса (%), применительно к зерновым культурам: <2,00 - очень низкое; 2,00-3,00 - низкое; 3,00-4,00 - среднее; 4,00-5,00 - высокое; >5,00 - очень высокое.

Важным показателем, характеризующим эффективное плодородие черноземных почв, является содержание подвижных гумусовых веществ, поэтому целесообразно знать их пограничные параметры. Минимальное содержание подвижных гумусовых веществ составляло 90-170 мг С/100 г почвы, среднее - 170-271, высокое 271-393. Данные значения легли в основу градации по содержанию подвижных гумусовых веществ (мг С/100 г) в почве для зерновых культур: <100 - очень низкое; 100-200 - низкое; 200-300 - среднее; 300-400 высокое; >400 - очень высокое.

Таблица 1 - Связь нитратного азота и подвижного фосфора с показателями гумусного состояния почв (АО «Локшинское», 2003 г.)

Таблица 2 - Модели урожайности зерновых культур^* (F_теор.05=4,00)

*Примечание: n - число наблюдений; F_факт. - фактический критерий Фишера; r - коэффициент корреляции; у₁, у₂ = урожайность зерна, т/га; х₁ - содержание в почве углерода гумуса (С_гумуса,%); х₂ - содержание в почве подвижных гумусовых веществ (С_{0,1 н. NаОН}, мг/100 г); Sr - ошибка математической модели, %.

В таблице 4 представлены данные по содержанию подвижных гумусовых веществ в пахотных черноземах ряда хозяйств. Среднее относительное значение содержания подвижных гумусовых веществ в пахотных черноземах составляет 11,0% от С_гумуса, что близко к принятому среднему российскому значению (10%) и достаточно типично. Данное сравнение позволяет говорить о возможности применения методики для оценки черноземов Приенисейской Сибири. Подход, предложенный Почвенным институтом им. В.В.Докучаева, вполне приемлем, и может использоваться для оценки почвенного покрова региона.

Таблица 3 - Содержание гумусовых веществ (х₁, х₂) и прогнозируемый уровень продуктивности зерновых культур (у₁, у₂, т/га)

Таблица 4 - Содержание подвижных гумусовых веществ в черноземах, %

Проводить оценку и мониторинг почв только по общему содержанию гумуса недостаточно, необходимо располагать информацией о содержании в почве подвижных гумусовых веществ. Являясь ближайшим источником энергетического материала для микроорганизмов, подвижная часть органического вещества принимает активное участие в азотном и фосфорном питании растений. С наличием лабильного органического материала связаны интенсивность и направленность процессов минерализации-иммобилизации азота в почве, от которых зависит не только обеспеченность растений минеральными формами азота, но и экологически безопасное функционирование почвенного покрова.

3.2 Оценка эффективности использования зеленых удобрений

Сидерация является важнейшим средством экологизации земледелия и составной частью альтернативных систем земледелия. Вместе с тем, действие зеленых удобрений зависит от многих факторов, определяющих как увеличение, так и снижение урожайности последующей культуры. Поэтому важно определить условия и факторы, при которых использование зеленых удобрений обеспечивает наибольшую эффективность и продуктивность сельскохозяйственных растений.

Использование зеленого удобрения вызывает в почве вспышку минерализационных процессов, и приводит, при внесении их в июне и июле, к непродуктивным потерям соединений углерода и азота. Внесение зеленого удобрения в августе и сентябре позволяет избежать непродуктивных потерь углерода и азота. Внесение зеленого удобрения в количестве 5,6 и 11,6т/га воздушно сухого вещества обусловливает увеличение в почве нитратного азота, соответственно, в 1,4-4,8 и 1,3-5,3 раза, причем большая норма удобрений, при поздних сроках внесения, обеспечивает повышение N-NО₃ и под второй зерновой культурой. Применение зеленого удобрения приводит к увеличению в почве подвижного фосфора в 1,2 раза, обменного калия в 1,1-1,2 раза. Положительное влияние зеленого удобрения прослеживается в течение 1-2 лет.

Под влиянием зеленого удобрения в количестве 11,6 и 5,6т/га воздушно-сухого вещества увеличивается содержание гумуса, соответственно, на 330 и 200 (0,33 и 0,20 %С), и подвижных гумусовых веществ - на 58 и 45мгС/100 г почвы (рис. 1, 2). Использование подсохшей массы донника в количестве 2,4т/га воздушно-сухого вещества повышает содержание гумуса на 200 (0,20%), а подвижных гумусовых веществ на 24мгС/100 г почвы. Использование зеленого удобрения не приводит к изменению в почве содержания водорастворимого гумуса. Максимум содержания гумуса в почве отмечается через 20-21 месяц, а максимум содержания подвижных гумусовых веществ через 8-9 месяцев после внесения зеленого удобрения. Увеличение содержания гумуса в почве удобренных вариантов является кратковременным. В дальнейшем, в период парования, при наступлении благоприятных условий для минерализационных процессов, эта прибавка гумуса исчезала.

Влияние зеленого удобрения и сроков его внесения в почву на урожайность зерновых культур оценивали в действии и последействии (рис. 3, 4). Применение зеленого удобрения на фоне малых (5-7т/га воздушно-сухого вещества) первоначальных запасов растительного вещества повышает продуктивность зерновых культур. Прибавка урожая зерна яровой пшеницы от применения надземной массы донника составляет в типичный год 0,82-2,0т/га, в сухой - 0,43-0,93т/га. Рост урожайности зерновых культур, под влиянием зеленого удобрения, обеспечивается увеличением в почве содержания подвижных гумусовых веществ и нитратного азота.

Рисунок 1 - Влияние зеленого удобрения на содержание гумуса

Рисунок 2 - Влияние зеленого удобрения на содержание подвижных гумусовых веществ

Эффективность зеленого удобрения определяется сроками их внесения в почву. Внесение в почву зеленого удобрения в конце августа - первой половине сентября позволяет получить наибольшую прибавку зерна пшеницы. Внесение в почву зеленого удобрения в количестве 11,6т/га воздушно-сухого вещества оказывает положительное влияние на продуктивность зерновых культур в течение двух лет, а в количестве 5,6т/га - в течение одного года.

Эффективность применения органических удобрений ограничивается коротким периодом биологической активности почв. На данное обстоятельство, применительно к лесостепной зоне Среднесибирской провинции (Красноярская, Канская, Минусинская, Тулун-Иркутская и другие лесостепи), указывали И.И.Синягин и Н.Я.Кузнецов (1979). Короткий период активных биологических процессов обусловливает слабое разложение органического вещества удобрений, вследствие чего в почве накапливается мало легкодоступных для растений элементов питания.

1 - контроль (не удобренный пар); 2 - чистый пар с внесением донника 25 июня;3 - тоже 15 июля; 4 - тоже 5 августа; 5 - тоже 25 августа; 6 - тоже 15 сентября; 7 - тоже 5 октября.

д - действие; п - последействие.

Рисунок 3 - Влияние зеленого удобрения на урожайность яровой пшеницы (1 закладка опыта, 1994-1995 гг.)

1 - контроль (не удобренный пар); 2 - чистый пар с внесением донника 25 июня;3 - тоже 15 июля; 4 - тоже 5 августа; 5 - тоже 25 августа; 6 - тоже 15 сентября; 7 - тоже 5 октября.

д - действие; п - последействие.

Рисунок 4 - Влияние зеленого удобрения на урожайность яровой пшеницы и овса (2 закладка опыта, 1997-1998 гг.)

Короткий период биологической активности почв, широкое участие зерновых культур в структуре пахотных угодий способствуют накоплению и консервации растительного материала в почве. На фоне больших запасов растительного вещества (9-11 т/га и более) действие зеленого удобрения на урожайность зерновых культур ослабевает. Следующая причина, ограничивающая эффект сидерации, заключается в недостаточной влагообеспеченности лесостепной зоны. ГТК меньше 1,0 в лесостепных районах региона отмечается в 20-30% лет (Агроклиматические ресурсы …, 1974). В условиях недостаточного количества осадков возделывание донника на зеленое удобрение приводит к иссушению почвы, в результате чего эффективность сидеральных паров резко снижается (Берзин, 2002).

Названные причины резко снижают эффективность зеленых удобрений в зернопаровых севооборотах, делают ее неустойчивой по годам и не позволяют рекомендовать сидерацию для широкого применения. Использование зеленых удобрений достаточно эффективно на фоне небольших (5-7т/га воздушно-сухого вещества) первоначальных запасах растительного материала в почве.

3.3 Оценка органического вещества почв в условиях залежи

Процесс гумусообразования в черноземных почвах разных природных округов региона отличается. Направленность и интенсивность данного процесса определяется исходным содержанием гумусовых веществ в почве, а также климатическими условиями территории.

Под влиянием разновозрастных залежей наиболее значимое увеличение содержания и запасов лабильного органического вещества отмечается в черноземах Назаровского и Южно-Минусинского природного округов, в 2,1-5,4 раза, достигая под 14-15-летними залежами 43,8-85,0т/га. В Канском и Красноярском природных округах накопление ЛОВ менее выражено, оно возрастает под влиянием залежей в 1,8-3,0 раза и составляет 15,1-26,2т/га. В серых лесных почвах содержание и запасы лабильной органики увеличивается в 1,2-2,0 раза.

По нашему мнению накопление гумусовых веществ под влиянием залежи в изучаемых почвах вполне согласуется с общими положениями кинетической теории гумификации (Орлов, 1985, 1990, 1996). Накопление общего содержания гумуса и подвижных гумусовых веществ в почвах происходит пропорционально продолжительности периода биологической активности почв. Для объектов Канского и Красноярского природных округов ПБА составляет 104-108 дней. Под влиянием 4-8 летних залежей здесь практически не происходит накопления гумуса (табл. 5, 6). Содержание гумуса и подвижных гумусовых веществ возрастает только в почвах, находящихся в залежном состоянии в течение 15 лет. ПБА для объектов Назаровского природного округа несколько выше - 107-112 дней. В почвах происходит увеличение содержания гумуса на 0,4%С и подвижных гумусовых веществ - на 69-107мгС/100 г почвы (табл. 7). Наиболее высокий ПБА характерен для объектов Южно-Минусинского округа, продолжительностью 122 дня. Под влиянием залежи, в зависимости от ее срока, содержание гумуса увеличивается на 0,45-0,96%С (табл. 8). Содержание подвижных гумусовых веществ возрастает на 63-256мгС/100 г почвы.

Таблица 5 - Содержание форм гумусовых веществ в почве пашни и залежи Канского природного округа (2003-2005 гг.)

Таблица 6 - Содержание форм гумусовых веществ в почве пашни и залежи Красноярского природного округа (2003-2005 гг.)

Нами предложен подход, благодаря которому можно быстро и довольно точно установить период восстановления гумусного состояния почв под влиянием залежи. Данный подход позволяет принимать прогнозные решения по вовлечению залежных земель в сельскохозяйственное производство. Используя показатель ПБА, можно прогнозировать период времени необходимый для восстановления гумусного состояния почв под влиянием залежи в разных природных округах земледельческой части Приенисейской Сибири. Согласно расчетам увеличение содержания гумуса на 1%С происходит при ПБА равном 122 дня за 5-6 лет. При таком ПБА содержание подвижных гумусовых веществ возрастает на 100мгС/100г почвы за 3 года. Данные прогнозируемые значения будут характерны для черноземов Минусинского природного округа. В условиях Назаровского природного округа период восстановления содержания углерода гумуса и подвижных гумусовых веществ существенно продолжительнее. Увеличение данных показателей на заданную выше величину происходит, соответственно, за 16-17 и 8-9 лет. При уменьшении ПБА до 107 дней период восстановления почв под влиянием залежи возрастает по содержанию гумуса до 31 года, а по содержанию подвижных гумусовых веществ до 15 лет.

Таблица 7 - Содержание форм гумусовых веществ в почве пашни и залежи Назаровского природного округа (2003-2005 гг.)

Таблица 8 - Содержание форм гумусовых веществ в почве пашни и залежи Южно-Минусинского природного округа (2003-2005 гг.)

Гуминовые кислоты первой фракции характеризуются высоким содержанием алифатических соединений, доля которых составляет в пахотных черноземах 55-57%, в залежных - 63-66%. Химический состав подвижных гуминовых кислот черноземов и серых лесных почв трансформируется под влиянием залежи. Пребывание черноземной почвы в залежном состоянии в течение 7-15 лет приводит к увеличению в составе гуминовых кислот алифатических групп на 8-11% и уменьшению циклических углеводородов на 1-3%.

ЧАСТЬ 4. ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ РЕЛЬЕФА НА ПЛОДОРОДИЕ ПОЧВ И УРОЖАЙНОСТЬ ЗЕРНОВЫХ КУЛЬТУР

Рельеф оказывает многостороннее влияние на микроклимат, на процессы, протекающие в почвенной толще, свойства почвы и особенности ее генезиса. Возможности ведения земледелия, его специализация и эффективность в значительной мере обусловлены рельефом. Определяя развитие почв и их плодородие, рельеф местности оказывает существенное влияние на ценность почв и земель.

В ОПХ «Минино» почва опытного участка была представлена в ложбине и на северном склоне черноземом выщелоченным маломощным малогумусным (в ложбине среднемощным) среднесуглинистым, на плато и южном склоне - черноземом обыкновенным маломощным малогумусным среднесуглинистым.

Оценка существенности полученных данных позволяет утверждать, что мезорельеф значимо повлиял на содержание в почве гумуса, подвижных гумусовых веществ и лабильного органического вещества (табл. 9). Самое низкое содержание гумуса обнаружено в почве склона южной экспозиции, что обусловливается худшими условиями увлажнения и, значит, меньшим поступлением в почву растительных остатков, а также повышенной минерализацией гумуса по причине лучшей теплообеспеченности. Содержание подвижных гумусовых веществ в почве южного склона также достоверно уменьшается. Содержание подвижных гумусовых веществ в почве южного склона на 18-25% меньше, чем в почве других вариантов опыта. Происходит перенос водорастворимого гумуса в почву ложбины, в результате чего почва склонов обедняется легкоминерализуемым органическим веществом.

Содержание нитратного азота в почве различных элементов рельефа изменяется от низких до средних значений. Содержание N-NО₃ в почве склонов достоверно ниже, чем в почве плато. Перераспределение нитратов в почве относительно элементов рельефа определяется высокой подвижностью и способностью к внутрипочвенной миграции данной формы азота. Мезорельеф существенно влияет и на количество аммонийного азота в почве. Значительное его накопление фиксируется в почве северного склона и уменьшение - в почве склона южной экспозиции. Это происходит по причине разной интенсивности процессов нитрификации и аммонификации. Повышенное накопление N-NН₄ в почве северного склона определяется снижением температуры почвы и подавлением процесса нитрификации. Уменьшение значения этого показателя в почве южного склона, наоборот, происходит в результате более выраженного окисления аммонийного азота до нитратов в результате нитрификации.

Внутрипочвенная миграция затрагивает даже сравнительно стабильные химические соединения. Полученные данные позволяют говорить о влиянии мезорельефа на содержание подвижного фосфора. Отмечается достоверное его уменьшение в почве склонов и ложбины. Длительная эксплуатация черноземов приводит к потере подвижного фосфора из почвы склонов и ложбины, где эрозионные процессы идут более активно, чем в почве плато. Обменный калий и обменные основания (Са²⁺, Мg²⁺) довольно интенсивно выносятся из почвы южного склона. В почве ложбины, по сравнению с почвами склонов, происходит некоторое накопление обменных кальция и магния, что, скорее всего, связано с внутрипочвенной миграцией илистых и коллоидных частиц.

Различия рН_сол. почвы относительно элементов рельефа связаны с почвообразовательным процессом и обусловлены влиянием микроклимата. В данном случае четко прослеживается роль рельефа как фактора почвообразования, перераспределяющего осадки и тепло. Самое низкое значение рН_сол. характерно для почвы склона северной экспозиции, а самое высокое - для почвы южного склона. Различия рН достигают 0,47. Почва ровного участка, по сравнению с почвой склонов, имеет промежуточное значении рН солевой суспензии.

В ЗАО «Игрышенское» почва была представлена черноземом выщелоченным среднемощным (на склонах маломощным) малогумусным мяжелосуглинистым, сформированным на лессовидном тяжелом суглинке.

Различие содержания гумуса между почвой южного и северного склонов доказывается статистически и составляет 1,41%С (табл. 10). Под влиянием мезорельефа в почве изменяется содержание подвижных гумусовых веществ и водорастворимого гумуса. Так, содержание подвижных гумусовых веществ в почве южного склона достоверно уменьшается на 23-39%, по сравнению с почвой плато, ложбины и северного склона. Наиболее низкое содержание водорастворимого углерода также отмечается в почве южного склона. Достаточно высокое содержание углерода гумуса в почве северного склона обусловливает значительное количество подвижных гумусовых веществ и водорастворимого гумуса.

Содержание нитратного азота в почве вариантов опыта изменяется от средних до повышенных значений. Фиксируется достоверное увеличение, по сравнению с почвой плато, количества N-NО₃ в почве южного склона и ложбины. Интенсивного вымывания нитратов из почвы склонов и их накопления в почве ложбины, как это отмечалось ранее, не происходит.

Содержание подвижного фосфора в почве колеблется от среднего до повышенных значений. Почва южного склона несколько уступает в содержании подвижного фосфора почве плато и северного склона.

В ЗАО «Игрышенское» различия содержания нитратного азота и подвижного фосфора в почве разных элементов рельефа менее выражены, чем на объекте в ОПХ «Минино». Полагаем, что это связано с разной крутизной склонов. На объекте в ОПХ «Минино» крутизна склонов составляет 5-7⁰, поэтому происходит достоверное уменьшение N-NО₃ в почве склонов и значимое снижение подвижного фосфора, относительно почвы плато. В ЗАО «Игрышенское» крутизна склонов не превышает 3-5⁰, поэтому не происходит обеднения почвы склонов нитратным азотом, а уменьшение, по сравнению с почвой плато, содержания подвижного фосфора на 2,4мг/100г характерно только для почвы южного склона. Наиболее низкое значение рН_сол. отмечается в почве склона северной экспозиции, а самое высокое в почве южного с...