Изменение параметров плодородия длительно используемых дерново-подзолистых пахотных почв

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Полевой эксперимент является наиболее универсальным и репрезентативным методом тестирования новых идей и концепций научной агрономии на пути их практической оценки в условиях производства. Ценность результатов научных исследований, получаемых в полевом опыте, возрастает по мере его длительности, с приближением земельного участка к устойчивому экофитоценотическому равновесию. В этой связи международную значимость имеют лишь длительные опыты.

Длительными считают полевые стационарные опыты продолжительностью не менее 20 лет, стационары же продолжительностью более 50 лет называют классическими, или сверхдлительными. В компьютерной директории ФАО зарегистрировано около 300 наиболее известных полевых стационаров [4, 9]. Среди них выделяются опыты Ротамстеда (Англия), заложенные в 1843-1856 гг. Часть из них была закрыта по истечении нескольких десятков лет, другие почти достигли или успели перешагнуть 100-летний юбилей. Наибольший интерес из оставшихся полевых опытов представляет почти 160-летняя «Бессменная пшеница» в Броадболке. Широко известны «Вечная культура ржи» в Галле (Германия) - с 1878 г., опыт с удобрениями в Гриньоне (Франция) - с 1875 г., Morrow plots (Иллинойс, США) - с 1876, Ascow (Дания) - опыты с 1894 г., а также Длительный опыт ТСХА, или «Московский стационар», согласно международному каталогу длительных опытов - с 1912 г. [1, 2, 3, 5, 8]. Среди ныне действующих лишь 12 стационаров продолжаются более 100 лет, хотя число таких суперсверхдлительных опытов может удвоиться в ближайшие годы (табл. 1).

Таблица 1. Наиболее известные длительные полевые стационары мира

Условия и методика проведения исследований.

Длительный опыт ТСХА был заложен в 1912 г. заведующим полевой опытной станцией и кафедрой земледелия Петровской (ныне Московской) сельскохозяйственной академии профессором А.Г. Дояренко.

Земельный участок до закладки опыта входил в кормовой (прифермский) севооборот, где за 10 предшествующих лет лишь в 1909 году внесли 35 т/га навоза. С 1906 по 1911 годы возделывали следующие культуры: клевер 1 г.п. - клевер 2 г.п. - овес - пар черный - озимая рожь с подсевом клевера - клевер 1 г.п. В 1912 году перед посевом яровых культур участок разделили на 2 части. На первой нарезали 6 вытянутых полей: 121, 122, 123, 124, 125 и 126 площадью по 1400 м2. Поле 121 оставили под черным паром, а на остальных 5 полях стали высевать бессменно, соответственно, озимую рожь, картофель, овес, клевер и лен. На другой части развернули 6-польный севооборот со следующей схемой чередования: пар черный - озимая рожь - картофель - овес с подсевом клевера - клевер 1 г.п. - лен. Поля севооборота: 131, 132, 133, 134, 135 и 136 площадью 1200 м2 явились естественным продолжением соответствующих полей монокультур. В первый год каждой ротации (раз в 6 лет) на симметричных полях высевают одинаковые культуры.

Поперек 6 полей бессменных культур наложили 11 вариантов удобрений: 1 - N; 2 - Р; 3 - К; 4 - О (без удобрений); 5 - NP; 6 - NK; 7 - РК; 8 - NPK + навоз; 9 - NPK; 10 - навоз и 11 - О (без удобрений). Аналогичные варианты, за исключением 10-ого и 11-ого, наложили поперек полей севооборота, который явился «зеркальным» отражением первых девяти вариантов монокультур. Учетная площадь делянок составила 100 м2.

В 1949 году было введено чередование культур во времени на известкованной половине бессменного черного пара (севооборот во времени). Таким образом, с 1949 года опыт стал включать 3 территориально разновеликие единицы: шестипольный севооборот, поля бессменных культур и севооборот во времени.

В том же году овес, сильно повреждаемый птицами, заменили на ячмень. Современный план и схема опыта представлены на рис. 1.

В опыте менялись виды и дозы удобрений, а также соотношение питательных веществ, что систематизировано по 4 периодам (табл. 2).

С осени 1949 года регулярно один раз в ротацию (6 лет) на продольной половине каждого поля проводится известкование почвы. Этот агроприем стал третьим изучаемым фактором после монокультуры и удобрений. Площадь учетной делянки сократилась до 50 м2. Первая доза извести составила 4,57 т/га доломитизированного известняка (83% Са, MgCО3).

Рис. 1. Схема длительного полевого опыта РГАУ-МСХА (Московского стационара) на начало ротации

Таблица 2. Периодичные нормы и общее количество внесенных минеральных элементов питания и навоза по периодам Длительного полевого опыта РГАУ-МСХА

Последующие дозы рассчитывались на основе гидролитической кислотности почвы и составили (год - доза): 1954 - 4,5; 1960 - 1; 1966 - 2; 1973 - 3; 1978 - 2; 1984 - 3; 1990 - 2; 1996 - 3; 2002 - 2,8; 2008 - 2,4 т/га.

Перед закладкой опыта дерново-подзолистая легкосуглинистая почва характеризуется следующими агрохимическими показателями плодородия: содержание гумуса - 2,06%, подвижного фосфора P2O5 - 50, обменного калия K2O - 60 мг / кг почвы, pHсол - 4,5, Hг - 5,8 мг-экв/100г почвы. Агротехника возделывания полевых культур в опыте соответствует традиционной технологии для ЦРНЗ, основанной на ежегодной вспашке на глубину 20-22 см. Фосфорно-калийные и органические удобрения вносили осенью, азотные - весной под предпосевную культивацию.

Результаты исследований и обсуждение.

Ценность результатов научного исследования пропорциональна длительности стационара, и возрастает по мере приближения опытного участка к устойчивому квазиравновесному состоянию. В длительном полевом опыте происходит компенсация части отклонений в действии и взаимодействии изучаемых и не изучаемых, но контролируемых факторов, что уравновешивает базисный фон для всех вариантов опыта. В условиях длительного стационара аккумулируется во времени действие, взаимодействие и последействие агротехнических приемов на фоне изменения факторов окружающей среды, что позволяет решать проблемы земледелия и экологии, специфические для конкретной почвенно-климатической зоны. Длительные стационары позволяют проводить мониторинг гумуса, содержания и круговорота питательных веществ, в том числе и микроэлементов, а также динамику загрязненности почвы тяжелыми металлами, другими токсигенами и вредными для биосферы и человека веществами. Действие многих биологических и технологических факторов на плодородие почвы, продуктивность растений становится очевидным лишь по истечении десятков лет.

Систематическое применение органических и минеральных удобрений, а также периодическое известкование, остаются наиболее эффективным средством химической мелиорации дерново-подзолистой почвы и предпосылкой повышения производительности пашни. Эффективность мелиоративных приемов обусловлена различными факторами: исходными свойствами почвы, видами, дозами и сочетаниями удобрений, а также особенностями возделываемых культур. За 100 лет полевого стационара каждая из 240 делянок получила разный уровень антропогенной нагрузки, что обусловило различия между вариантами в гумусированности и содержании питательных веществ, достигшие многократных размеров.

Теоретической основой установления критических уровней содержания гумуса является динамика изменения его содержания и запасов в чистом пару в течение длительного (100 лет) периода.

Наши исследования показали, что при бессменном паровании дерново-подзолистой легкосуглинистой почвы изменения содержания углерода имеют устойчивый тренд к его снижению, причем скорость ежегодных потерь определяется дозами вносимых минеральных и органических удобрений. Наибольшие потери углерода отмечались в вариантах без удобрений, где его содержание в первые 10 лет после закладки опыта уменьшилось на 37,5% по сравнению с исходным состоянием (1,20%). В последующие десятилетия темпы минерализации органического вещества замедлялись, что связано с достижением почвой уровня критического содержания углерода (0,48-0,52 %), обеспеченного гранулометрическим составом данного типа почвы. Внесение полного минерального удобрения (NPK) замедляло темпы распада углерода почвы, и его содержание находилось на уровне 0,81-0,89%. Ежегодное внесение (в среднем за 100 лет) 17,7 т/га навоза обеспечивало уравновешенный или положительный баланс углерода в чистом пару с сезонными колебаниями в пределах 1,21-1,27 %.

Необходимо отметить, что в период глобального потепления климата, независимо от фона питания, возросли потери углерода, что связано с развитием эрозионных процессов как в поле чистого пара, так и в смежных в горизонтальной плоскости делянках севооборота (рис. 2).

Рис. 2. Изменение содержания углерода (Сорг, %) в бессменном пару и прилегающей залежи

мелиорация полевой подзолистый

В естественных биоценозах многолетней залежи наблюдалась устойчивая тенденция сохранения положительного баланса углерода, увеличение содержания которого через 100 лет составило 0,11%, или 3,3 т/га.

Потери органического вещества на фонах постоянного применения азотных, а также фосфорно-калийных удобрений, вызывающих подкисление почвенного раствора, а, следовательно, ускоряющих минерализацию органического вещества, за первые 6 ротаций с момента определения составили 36,8 и 34,7 т/га, соответственно. Наименьшие потери углерода отмечали в вариантах совместного внесения NPK и навоза, которые составили 26,6 т/га (рис. 3).

В последние 50 лет темпы разложения органического вещества резко замедлились, особенно в вариантах без удобрений, где его содержание достигло квазиравновесного состояния, обеспеченного сбалансированностью процессов накопления и минерализации. Повышение норм внесения навоза с 10 т/га (1939-1972 гг.) до 20 т/га (1975-2012 гг.) сократило потери органического вещества более чем в 2 раза.

Рис. 3. Роль фона питания в изменении направленности биохимических превращений органического вещества, т/га

Таким образом, изменение направленности и скорости трансформации органического вещества определяется видами внесения минеральных удобрений (N, Р, К), их способностью изменять состояние среды обитания почвенных микроорганизмов и скоростью их реакции на эти изменения.

Возделываемые полевые культуры - важнейший фактор динамики изменения содержания гумуса почвы, поскольку они являются одним из основных источников поступления в почву органического вещества.

Растительные остатки, а также основная и побочная продукция урожая, частично используемые в животноводстве и возвращающиеся в почву в виде органических удобрений, сужают замкнутость цикла круговорота органических веществ и потока энергии в конкретной системе земледелия.

Различные формы минеральных удобрений, как внесенных отдельно (N, Р, К), так и в различных сочетаниях, определяют не только уровень урожайности возделываемых культур, но и массу растительных остатков, поступающих в почву после их уборки (табл. 3).

При бессменном возделывании озимой ржи как на известкованном фоне, так и без извести, решающим фактором в накоплении растительных остатков являлась обеспеченность питательными элементами. Их количество колебалось от 2,64 т/га в вариантах без удобрений до 3,38 т/га на делянках с совместным внесением N100P150K120 и 20 т/га навоза, а эффект известкования проявился в увеличении их массы с 2,62 т/га до 3,55 т/га.

Таблица 3. Влияние фона питания и чередования культур на накопление растительных остатков (т/га), в среднем за ротацию

Возделывание озимой ржи в севообороте уменьшало накопление растительных остатков на 0,2-0,6 т/га, в зависимости от фона питания, за счет ускорения минерализации в чистом пару и под картофелем.

Из изучаемых в севообороте культур наименьшее количество растительных остатков оставлял после уборки лен (0,43-1,18 т/га), а наибольшее - клевер одного года использования (4,22-4,64 т/га).

Таким образом, применяемые в опыте удобрения в различном сочетании по влиянию на накопление растительных остатков можно расположить в следующей убывающей последовательности: NPK+навоз > NPK > NP > NK, РК > N > P > K > без удобрений, а возделываемые культуры - клевер > озимая рожь > картофель > ячмень > лен.

Влияние возделываемых культур на динамику изменения содержания органического вещества пахотных почв тесно связано с приемами механической обработки почвы, которые определяют скорость и направленность процессов трансформации растительных остатков, поступающих в почву после их уборки.

Отсутствие удобрений в вариантах бессменных посевов позволяет вычленить положительную роль растений в изменении запасов гумуса дерново-подзолистых почв (рис. 4).

Рис. 4. Роль полевых культур в накоплении запасов гумуса т/га

Нашими исследованиями установлено, что по сравнению с вечным паром под культурами, возделываемыми в опыте, значительно выше содержание и, соответственно, запасы гумуса, которые коррелировали с массой растительных остатков, оставляемых ими после уборки.

Установлено, что из зерновых культур озимая рожь при длительном бессменном выращивании обеспечивала наибольшее накопление органического вещества в почве (65,5 т/га), запасы его под яровыми зерновыми (ячмень, овёс) варьируют в пределах 51-58 т/га, в зависимости от варианта удобрений, при исходных запасах 62 т/га. Это свидетельствует об их способности при достаточном уровне обеспеченности элементами питания сохранять высокую гумусированность почвы даже в условиях бессменного возделывания. Наибольшее влияние на увеличение запасов гумуса оказывало выращивание клевера, которое за первое 50-летие составило 8,5 т/га, а за второе - 5,2 т/га. Выращивание льна и картофеля, напротив, даже на вариантах применения удобрений приводило к снижению запасов гумуса, которое составляло 18,5 т/га на фоне полного минерального удобрения в сочетании с 20 т/га навоза.

В севообороте, где культуры сплошного сева чередуются с пропашными и полем чистого пара, скорость превращения органических остатков усиливается, а в сочетании с возрастающим выносом питательных веществ снижаются и запасы гумуса по изучаемым вариантам. Корреляционная зависимость между количеством растительных остатков и содержанием гумуса усиливается и выражается линейной зависимостью с уравнением:

у =1,1696х + 0,5313, R2=0,989.

Другими важными показателями степени окультуренности почвы являются содержание подвижного фосфора (P2O5) и обменного калия (K2O).

Наши исследования показали, что содержание подвижного фосфора в пахотном слое почвы по 50-летним циклам функционирования Московского стационара носило устойчивый характер его накопления независимо от способа использования земель. Увеличение его содержания четко коррелировало не только с дозами внесения минеральных и органических удобрений, но и с количеством растительных остатков, поступающих в почву после уборки полевых культур. В почве многолетней залежи, где не применялись органические удобрения, а запасы органики накапливались лишь за счет ежегодного отмирания надземной части и корневой системы естественного разнотравья, отмечали наименьший прирост его содержания, который составил 43 мг/кг почвы за первое 50-летие и 99 мг/кг почвы за второе, а за 100 лет запасы подвижного фосфора возросли на 3,83 т/га (табл. 4).

Возделывание полевых культур с различной потребностью в фосфоре в 6-польном плодосменном севообороте при низких дозах удобрений (N36P44K51) обеспечивает поддержание содержания подвижного фосфора на уровне многолетней залежи, а при высоких (N100P150K120) - его количество увеличилось в 1,33 раза.

Таблица 4. Действие длительного окультуривания на содержание подвижного фосфора (P2O5 мг/кг почвы) при разных среднегодовых нормах удобрений и мелиорантов

среднегодовые дозы * 1912-1962 гг. - N36P44K51, навоз 16 т/га ** 1963-2012 гг. - N100P150K120, навоз 20 т/га.

Внесение удобрений в чистом пару без выращивания растений привело к резкому увеличению содержания подвижного фосфора, которое составило за 50-летний период 100 мг/кг, а за 100-летний - 262 мг/кг почвы, что связано с их малой подвижностью и отсутствием выноса.

По влиянию на содержание подвижного фосфора полевые культуры при бессменном их выращивании в течение 100 лет можно расположить в следующей убывающей последовательности: озимая рожь > овёс > ячмень > клевер > лён > картофель.

Содержание обменного калия как более подвижного и легкотрансформируемого в различные формы элемента питания при низких дозах удобрений, в основном, зависело от потребности полевых культур в нем. Картофель, клевер и лён как калиелюбивые культуры в первые 50 лет функционирования опыта снижали содержание данного элемента питания на 22-55 мг/кг почвы по сравнению с озимыми и яровыми зерновыми, воздействие которых было близким к состоянию естественной экосистемы в виде многолетней залежи (табл. 5).

Значительное увеличение доз внесения удобрений во второе 50-летие не привело к адекватному росту содержания обменного калия в агроэкосистемах по сравнению с многолетней залежью.

По воздействию на содержание обменного калия изучаемые формы использования земель можно расположить в следующей возрастающей последовательности: плодосменный севооборот < картофель < лён < клевер < озимая рожь < многолетняя залежь < яровые зерновые.

Таблица 5. Действие длительного окультуривания на содержание обменного калия (K2O мг/кг почвы) при разных среднегодовых нормах удобрений и мелиорантов

среднегодовые дозы * 1912-1962 гг. - N36P44K51, навоз 16 т/га ** 1963-2012 гг. - N100P150K120, навоз 20 т/га

Комплексным показателем оценки плодородия почв, интенсивно используемым в сельскохозяйственном производстве, служит агрохимический балл [6, 7], учитывающий изменения содержания органического вещества, элементов питания и ионно-обменных свойств почвы под действием различных факторов интенсификации. За 100-летний период из изучаемых в опыте культур наиболее положительное влияние на плодородие дерново-подзолистой легкосуглинистой почвы оказывают озимая рожь и клевер, далее - яровые зерновые, а лён и картофель обусловливают его снижение (рис. 5).

Обобщение и анализ полученных данных показал, что перед закладкой опыта почва характеризовалась низкой степенью окультуренности (20-30 баллов). Через 100 лет после закладки опыта под действием возделываемых культур, минеральных, органических удобрений и извести изучаемые варианты распределились следующим образом: низко окультуренные - 16%, слабо окультуренные - 50%, средне окультуренные - 25% и хорошо окультуренные - 11%.

Оценивая влияние отдельных элементов питания и их сочетаний на агрохимический балл плодородия, необходимо отметить, что при внесении только азотных удобрений плодородие почвы по сравнению с исходным падает, особенно при бессменном выращивании картофеля и яровых зерновых. Действие фосфорных, калийных и азотно-калийных удобрений было близким к варианту без удобрений. Внесение полного минерального удобрения в сочетании с навозом приводило к формированию средне- (62,5) и высоко- (27,5%) окультуренных почв.

Рис. 5. Дифференцированная окультуренность слоя почвы 0-20 см под влиянием различных технологий, 1912-2012 гг.

Энергетическая оценка продуктивности возделываемых культур по делянкам опыта с различным уровнем плодородия показала, что эффективность использования запасов гумуса и питательных веществ определялась способом размещения культур (бессменно, севооборот), видами (минеральные, органические), формами (азотные, калийные, фосфорные) удобрений и их дозами (рис. 6).

Рис. 6. Продуктивность полевых культур при различных по интенсивности технологиях, 1973-2012 гг.

Исследования показали, что потенциал отдельных культур в большей степени реализовывался в севооборотах, где выход энергии составлял 45-47 тыс. МДж/га, чем при их бессменном выращивании на одном поле более 100 лет (24-36 тыс. МДж/га). При этом наименьшая продуктивность отмечена при выращивании яровых зерновых (24,4 тыс. МДж/га), а наиболее высокая - на делянках бессменного клевера (56,8 тыс. МДж/га).

Из изучаемых вариантов удобрений наиболее эффективным в повышении продуктивности полевых культур было внесение полной дозы минеральных удобрений в сочетании с навозом.

В вариантах без удобрений, а также при внесении отдельных элементов питания (N, P, K) и их парных сочетаний, продуктивность культур снижалась в среднем на 23-33%, а на фоне NPK - на 10,2%.

Таким образом, длительное систематическое применение минеральных и органических удобрений в сочетании с периодическим известкованием, независимо от способа размещения культур, служит определяющим условием формирования высокопродуктивных и экологически сбалансированных агробиоценозов, а также наиболее рациональным способом быстрого окультуривания дерново-подзолистых почв, так как:

- способствует формированию положительного (озимая рожь, клевер) или уравновешенного (яровые зерновые, лён) баланса гумуса с более качественными органоминеральными комплексами;

- повышает биогенность почв за счет увеличения массы свежего органического вещества в виде пожнивно-корневых остатков, что изменяет интенсивность и направленность биохимических процессов их превращения в сторону гумусонакопления;

- обеспечивает бездефицитный и накопительный баланс углерода, азота, фосфора и калия в почве, увеличивает доступность элементов питания растениям, а, следовательно, и их продуктивность.

Литература

1. Доспехов Б.А., Кирюшин Б.Д., Братерская А.Н. Действие 60-летнего применения удобрений, периодического известкования и севооборота на агрохимические свойства дерново-подзолистой почвы // Агрохимия. - 1976, № 4. - С. 3-14.

2. Доспехов Б.А., Братерская А.Н., Кирюшин Б.Д. Действие 60-летних бессменных культур на агрохимические свойства дерново-подзолистой почвы // Известия ТСХА. - 1975, №2. - С. 43-53.

3. Доспехов Б.А., Кирюшин Б.Д., Братерская А.Н. Изменение агрохимических свойств дерново-подзолистой почвы по профилю под влиянием 62-летнего применения удобрений и периодического известкования // Известия ТСХА. - 1975. Вып. 6. - С. 30-40.

4. Егоров В.Е. Опыт длится 60 лет. - М.: Знание. - 1972. - 30 с.

5. Кирюшин Б.Д. Влияние севооборота, бессменных и повторных культур и длительного применения удобрений на плодородие дерново-подзолистой почвы: дисс. … канд. с.-х. наук. - Москва. - 1978. - 156 с.

6. Матюк Н.С., Мазиров М.А., Кащеева Д.М. Полин В.Д. Действие 100-летних бессменных культур на агрохимические свойства дерново-подзолистой почвы // Агрохимический вестник. - 2012, №6. - С. 25-29.

7. Матюк Н.С., Полин В.Д. Эффективность длительного применения удобрений и извести при возделывании полевых культур в бессменных посевах и севообороте. Длительному полевому опыту ТСХА 100 лет: итоги научных исследований // Научное издание. (под редакцией А.Ф. Сафонова). - М.: Изд-во РГАУ-МСХА. - 2012. - С. 90-105.

8. Пупонин А.И. Обработка почвы в интенсивном земледелии Нечерноземной зоны. - М.: Колос. - 1984. - 183 с.

9. Christensen Bent.T., Trentemoller V. The Ascow Long-Term experiments on animal and mineral fertilizers. - SP-report, - 1995. - № 29. - Р. 188.

Размещено на Allbest.ru