Показатели почвенного плодородия чернозема типичного после длительного применения различных систем удобрений

Полный текст

В условиях интенсификации сельскохозяйственного производства увеличивается нагрузка на ключевой элемент агроэкосистемы – почву. Это создает настоятельную необходимость в обеспечении сохранения и восстановления плодородия почвы, которое служит основой сельскохозяйственного производства, формирования высоких урожаев и обеспечения продовольственной безопасности [1].

Для поддержания и восстановления почвенного плодородия необходим системный подход, который предусматривает использование органических (навоз, компост, сидераты и др.) и минеральных (азотных, фосфорных, калийных и др.) удобрений, а также эффективную обработку почвы [2, 3].

Следует внимательно относиться к содержанию питательных веществ в формах, доступных для усвоения растениями. Поскольку, например, при нехватке доступного фосфора происходит замедление процессов белкового синтеза, в тканях растений наблюдается увеличение уровня нитратного азота и другие негативные процессы [4]. При этом на черноземах для увеличения содержание доступных форм этого элемента на 1 мг на 100 г почвы требуется внести от 80 до 120 кг/га фосфорных удобрений [5]. В условиях недостатка влаги на черноземе типичном наибольшее влияние на уровень подвижного фосфора в пахотном слое оказывает поверхностная обработка с использованием дисковых борон [6].

Содержание подвижных форм калия в черноземах значительно снижается в пропашных севооборотах и с ростом глубины обработки почвы [7]. Резкое их уменьшение наблюдается в отсутствии калийсодержащих удобрений, а также может быть связано с погодными условиями [8]. Длительное систематическое применение удобрений способствует обогащению верхнего слоя почвы элементами питания в целом.

Среди агротехнологических приемов, оказывающих значительное влияние на состояние почвы, особое место занимает механическая обработка [9]. Известно, что при уменьшении ее глубины наблюдается рост содержания гумуса, подвижного фосфора и калия в почве [10]. Тем не менее при глубокой вспашке формируется более однородный плодородный слой, в то время как при поверхностной обработке происходит дифференциация пахотного горизонта по содержанию ключевых минеральных элементов, необходимых для питания растений [11]. В связи с этим необходимо дальнейшее изучение изменений агрохимических показателей почвы под влиянием разных способов ее основной обработки.

Долгосрочные полевые эксперименты представляют собой мощный инструментарий для анализа изменений плодородия почвы. Они предоставляют объективные и ценные данные, отражающие варьирование агрохимических и агрофизических показателей почвы, которые характеризуют ее плодородие, под воздействием различных факторов.

Цель исследования – оценить влияние продолжительного использования нескольких систем удобрений и действие разных способов основной обработки почвы на ключевые показатели плодородия типичного чернозема в зернопропашном севообороте для оптимизации агротехнических приемов, способствующих воспроизводству плодородия почвы.

Методика. Работу проводили в юго-западной части Центрально-Черноземного района, в условиях долгосрочного полевого эксперимента, заложенного в 1987 г. в Белгородском районе в Белгородской области. Его полная факториальная схема предусматривает изучение трех типов севооборотов с различной насыщенностью пропашными культурами. В представленной работе рассмотрена часть выборки, которая включает данные, полученные в зернопропашном севообороте со следующим чередованием культур: горох – озимая пшеница – сахарная свекла – ячмень – кукуруза на силос. Один из анализируемых факторов (А) – способ основной обработки почвы (вспашка, безотвальная и минимальная обработка); второй (В) – органические и минеральные удобрения в различных дозах и комбинациях. Объект исследования – чернозем типичный среднемощный малогумусный тяжелосуглинистой разновидности на лессовидном суглинке. Перед закладкой опыта почва пахотного слоя характеризовалась следующими показателями: содержание подвижного фосфора (по Чирикову) – 67…78 мг/кг, подвижного калия (по Чирикову) – 95…112 мг/кг, гумуса (ГОСТ 26213-91) – 5,2…5,3 %.

Органические удобрения вносили в виде навоза крупного рогатого скота, который заделывали под сахарную свеклу в дозах 40 т/га и 80 т/га, что соответствует насыщенности севооборота 8 и 16 т/га севооборотной площади (с. п.). Минеральные удобрения вносили ежегодно, а их дозы зависели от культуры севооборота. Одинарная доза в расчете на 1 га севооборотной площади составляла N₆₄P₆₄К₆₄, удвоенная – N₁₂₈P₁₂₈К₁₂₈. Кроме того, рассматривали следующие сочетания доз органических и минеральных удобрений: навоз 8 т/га с. п. + N₆₄P₆₄К₆₄; навоз 8 т/га с. п. + N₁₂₈P₁₂₈К₁₂₈; навоз 16 т/га с. п. + N₆₄P₆₄К₆₄; навоз 16 т/га с. п. + N₁₂₈P₁₂₈К₁₂₈. В качестве контроля использовали вариант без удобрений.

Для оценки изменения плодородия чернозема типичного определяли следующие показатели: содержание общего гумуса (по Тюрину, ГОСТ 26213-91); подвижных форм фосфора и калия (по Чирикову в модификации ЦИНАО). Для выявления направленности изменений содержания фосфора и калия был проведен расчет их баланса в 6 ротации севооборота. Пробы почвы отбирали после уборки озимой пшеницы на глубину пахотного слоя.

Результаты и обсуждение. Без применения удобрений за шесть ротаций зернопропашного севооборота происходило снижение содержания гумуса, в сравнении с годом закладки опыта, которое составляло от 0,06 % при минимальной обработке почвы до 0,27 % в варианте со вспашкой (табл. 1).

 

Таблица 1. Влияние агротехнических приемов на содержание гумуса в пахотном слое почвы, %

Уровень удобренности	Вспашка		Безотвальная обработка		Минимальная обработка		Баланс (±), т/га
	год закладки1	6 ротация	год закладки	6 ротация	год закладки	6 ротация
Без удобрений	5,23	4,96	5,22	5,05	5,21	5,15	-0,32
N64P64К64	5,18	5,09	5,26	5,12	5,16	5,30	-0,52
N128P128K128	5,13	5,18	5,26	5,16	5,22	5,34	-0,66
Навоз, 8 т/га	5,21	5,22	5,13	5,11	4,99	5,32	1,17
Навоз, 8 т/га + N64P64К64	5,20	5,33	5,17	5,22	5,20	5,54	0,98
Навоз, 8 т/га + N128P128K128	5,06	5,30	5,22	5,36	5,02	5,64	0,85
Навоз, 16 т/га	5,20	5,31	5,68	5,25	5,22	5,45	2,94
Навоз, 16 т/га + N64P64К64	5,12	5,33	5,24	5,42	5,27	5,53	2,86
Навоз, 16 т/га + N128P128K128	5,22	5,33	5,13	5,30	5,15	5,45	2,84
НСР05=0,06

¹1987 г.

 

Использование минеральной системы удобрений к шестой ротации увеличивало содержание гумуса в верхнем слое почвы (0…30 см), в сравнении с вариантом без применения удобрений, до 5,16…5,34 % пропорционально дозам удобрений с наибольшей величиной этого показателя на фоне минимальной обработки почвы. Достоверный рост содержания гумуса составил 0,11…0,22 % (НСР₀₅ = 0,06). Если рассматривать динамику изменения во времени, при минимальной обработке почвы содержание гумуса на фоне внесения минеральных удобрений возросло, по сравнению с годом закладки опыта, на 0,12…0,14 %, а при безотвальной, наоборот, сократилось – на 0,10…0,14 %.

Органические удобрения в течение шести ротаций оказали положительное влияние на содержание гумуса в почве. При этом если от минеральных удобрений максимальный в опыте рост составил 0,22 %, то при внесении органических – 0,35 %, содержание гумуса достигало 5,11…5,45 % с большей величиной этого показателя, как и при использовании минеральных удобрений, на фоне минимальной обработки почвы. Согласно результатам математической обработки влияние органических удобрений и способа основной обработки было статистически достоверным. Анализируя временные изменения, следует отметить, что при вспашке и минимальной обработке почвы на фоне 8 т/га севооборотной площади навоза содержание гумуса увеличивалось соответственно на 0,01 и 0,33 %, при 16 т/га – на 0,11 и 0,23 %, а при проведении безотвальной обработки – снизилось на 0,02…0,43 %.

Результаты анализа совместного воздействия минеральных и органических удобрений свидетельствуют о том, что на фоне 8 т/га севооборотной площади подстилочного навоза содержание гумуса с ростом дозы минеральных удобрений увеличивалось на 0,08…0,32 %, по сравнению с одинарной дозой органических удобрений. Самая высокая величина этого показателя (5,64 %) отмечена при сочетании одинарной дозы органических удобрений и двойной минеральных. В варианте с применением 16 т/га севооборотной площади подстилочного навоза рост содержания гумуса от одинарной дозы минеральных удобрений, по сравнению с использованием только органических, составил 0,02…0,17 %. В сочетании с двойной дозой минеральных удобрений такого эффекта не наблюдали. Временная динамика содержания гумуса свидетельствует о положительном действии органоминеральной системы удобрения. Например, разница с годом закладки опыта при использовании максимальных в опыте доз удобрений достигала 0,30 %. Такое увеличение можно объяснить ростом количества побочной продукции с повышением урожая при высоких дозах удобрений.

Изменение баланса гумуса во времени носило схожую направленность с его фактическим содержанием. Без применения удобрений и с использованием только минеральных форм он был отрицательным. Применение органических удобрений отдельно и в сочетании с минеральными обеспечивало бездефицитный баланс гумуса. Например, при использовании навоза КРС в дозе 16 т/га в шестой ротации он составил 2,94 т/га, что на 3,26 т/га больше, чем на фоне естественного плодородия почвы.

В нашем эксперименте основным источником пополнения фосфора в почве были удобрения. При внесении только их минеральных форм в дозах Р₆₄ и Р₁₂₈ баланс этого элемента был бездефицитным – соответственно 15,9 и 71,9 кг/га. На фоне естественного плодородия почвы и при использовании только органических удобрений формировался отрицательный баланс фосфора от 1,8 до 31,2 кг/га. В вариантах с совместным внесением минеральных и органических удобрений вынос фосфора значительно возрастал, однако баланс этого элемента оставался положительным и при максимальном уровне удобренности составил 106,5 кг/га.

Балансовые методы расчета, основанные на учете прихода и расхода питательных элементов, дают только приблизительную картину, поскольку не учитывают такие факторы, как потери в результате фиксации в почве, вымывания и др. или, наоборот, мобилизацию из труднодоступных форм. Поэтому более точным и объективным критерием оценки эффективности системы удобрения служит фактическое изменение обеспеченности почвы минеральным элементом за ротацию севооборота.

Содержание фосфора в год закладки опыта варьировало в пределах 46,7…62,7 мг/кг (табл. 2), что для черноземов типичных находится на границе между группами с низкой и средней обеспеченностью. Систематическое внесение органических и минеральных удобрений способствовало росту величины этого показателя. Оптимальный уровень подвижного фосфора в почве был достигнут при использовании 16 т/га севооборотной площади навоза крупного рогатого скота – от 100,8 до 149,3 мг/кг в зависимости от основной обработки почвы. Применение минеральных удобрений в дозе N₆₄P₆₄K₆₄ или 16 т/га навоза к шестой ротации увеличивало обеспеченность почвы подвижным фосфором до повышенной (101…150 мг/кг). Дальнейшее увеличение содержания этого элемента до 157,5…175,4 мг/кг и переход почвы в категорию высокообеспеченных (151…200 мг/кг) наблюдали при совместном внесении одинарных доз органических и минеральных удобрений. Использование 8 т/га навоза в сочетании с минеральными в дозе N₁₂₈P₁₂₈K₁₂₈ увеличило содержание подвижного фосфора в почве до 255,1 мг/кг, 16 т/га навоза – до 337,7 мг/кг, что соответствует очень высокой обеспеченности. Наибольшую величину этого показателя отмечали при совместном применении двойных доз обоих видов удобрений по вспашке.

 

Таблица 2. Влияние агротехнических приемов на содержание подвижного фосфора и калия в пахотном слое почвы, мг/кг

Уровень удобренности	Вспашка		Безотвальная обработка		Минимальная обработка		Баланс, за ротацию (±), кг/га
	год закладки1	6 ротация	год закладки	6 ротация	год закладки	6 ротация
Содержание подвижного фосфора
Без удобрений	56,8	47,6	54,0	51,2	52,1	49,0	-31,2
N64P64К64	54,8	123,8	54,3	141,9	53,2	148,1	15,9
N128P128K128	56,1	204,8	51,3	150,4	52,7	180,2	71,9
Навоз, 8 т/га	53,6	113,2	53,0	67,8	47,1	75,7	-17,2
Навоз, 8 т/га + N64P64К64	46,7	175,4	50,0	157,5	62,7	168,3	33,5
Навоз, 8 т/га + N128P128K128	50,5	255,1	52,2	232,0	55,7	222,6	88,9
Навоз, 16 т/га	50,0	149,3	52,3	115,8	53,1	100,8	-1,75
Навоз, 16 т/га + N64P64К64	56,5	253,6	53,8	220,8	57,0	186,9	49,2
Навоз, 16 т/га + N128P128K128	50,6	337,7	61,7	295,5	52,4	289,5	106,5
НСР05 фактора А (обработка)=14,24; фактор В (удобрения)=14,20
Содержание подвижного калия
Без удобрений	100,4	112,3	97,5	110,7	108,4	116,2	-73,0
N64P64К64	93,5	151,1	97,4	133,4	101,7	131,4	-47,3
N128P128K128	94,0	160,2	104,5	120,7	92,5	156,2	-3,0
Навоз, 8 т/га	96,7	126,8	91,7	112,0	103,7	120,0	-67,1
Навоз, 8 т/га + N64P64К64	104,4	149,0	100,4	138,4	97,0	152,6	-33,8
Навоз, 8 т/га + N128P128K128	92,5	173,5	100,2	159,8	103,0	156,6	9,9
Навоз, 16 т/га	92,7	153,1	101,7	132,6	99,4	144,1	-57,9
Навоз, 16 т/га + N64P64К64	101,0	192,7	101,0	163,4	99,0	216,6	-23,9
Навоз, 16 т/га + N128P128K128	97,0	229,0	99,0	194,8	96,0	239,9	24,0
НСР05: фактор А (обработка)=11,00; фактор В (удобрения)=11,04

¹для почвенных показателей 1987 г.

 

Анализируя действие фактора А (обработка почвы), можно отметить, что вспашка способствовала увеличению содержания подвижного фосфора. Такое воздействие наблюдали на всех уровнях удобрений, за исключением варианта с внесением только N₆₄P₆₄K₆₄. Например, при использовании только минеральных удобрений в дозе N₁₂₈P₁₂₈К₁₂₈ на фоне вспашки содержание фосфора было больше, чем при проведении безотвальной и минимальной обработки, соответственно на 54,4 и на 24,6 мг/кг, при внесении 16 т/га навоза – на 33,5 и 48,5 мг/кг, а в варианте с удвоенными дозами – на 42,2 и 48,2 мг/кг. Это можно объяснить более активным процессом минерализации, который происходит при отвальной обработке почвы.

Долгое время считали, что накопление подвижного фосфора в почве оказывает исключительно положительное воздействие, способствуя росту и развитию растений. Однако результаты последних исследований заставили пересмотреть этот взгляд, особенно в контексте интенсивного земледелия. Оказалось, что чрезмерное накопление фосфора может привести к негативным последствиям для почвы и растительности. Если содержание подвижного фосфора в почве превышает определенный порог, у растений возникает так называемая депрессия фитоценоза, которая сопровождается замедленным ростом, уменьшением биомассы и снижением продуктивности. Критическим уровнем считается концентрация подвижного фосфора в верхнем слое почвы, превышающая 400 мг/кг [12]. В нашем опыте в результате продолжительного и регулярного применения удобрений содержание фосфора в почве на глубине

Содержание подвижного калия при закладке полевого опыта, согласно градации обеспеченности почв этим элементом, было повышенным и составляло 91,7…108,4 мг/кг. За 34 года исследований без внесения удобрений оно сохранялось на исходном уровне (110,7…116,2 мг/кг). Использование минеральных удобрений независимо от дозы способствовало накоплению калия и росту его содержание в почве, по сравнению с вариантом без удобрений, на 10,0…47,9 мг/кг. Причем если при безотвальном рыхлении почвы это увеличение носило характер тенденции, то на фоне вспашки и минимальной обработки такой рост был достоверным (НСР₀₅ = 11,04 мг/кг). Внесение навоза также повышало содержание подвижного калия в пахотном слое. При этом его применение в дозе 8 т/га севооборотной площади при всех рассматриваемых обработках почвы обеспечивало тенденцию к росту, а в дозе 16 т/га – достоверное увеличение на 21,9…40,8 мг/кг.

Дальнейшее повышение количества подвижного калия в почве происходило при совместном внесении органических и минеральных удобрений. Использование минеральных удобрений на фоне одинарной дозы органических увеличивало содержание калия, по сравнению с вариантом без применения удобрений, на 27,7…61,2 мг/кг до 156,6…173,5 мг/кг. Наибольшая в опыте величина этого показателя отмечена при органоминеральной системе удобрений с двойными дозами – 239,9 мг/кг, что на 123,7 мг/кг больше, чем в варианте без удобрений, и на 143,9 мг/кг, по сравнению с годом закладки опыта.

Рассматривая влияние способа обработки почвы, следует отметить, что при отдельном применении разных видов удобрений выявлено положительное воздействие глубокой обработки почвы с оборотом пласта на накопление подвижного калия в почве. Разница с другими способами обработки при органической системе удобрений достигала 9,0…20,5 мг/кг, при минеральной – 4,0…39,7 мг/кг.

Баланс калия в шестой ротации севооборота был отрицательным практически во всех вариантах, его дефицит составлял от 3,0 кг/га (при внесении N₁₂₈P₁₂₈К₁₂₈) до 73,0 кг/га (без удобрений). Исключением были варианты с совместным внесением органических удобрений с двойной дозой минеральных, на фоне которых положительный баланс калия варьировал в диапазоне 9,9…24,0 кг/га. Отсутствие снижения содержания подвижного калия в почве во всех вариантах опыта, вероятно, обусловлено пополнением его запасов из необменных форм.

Выводы. За 34 года проведения полевого опыта содержание основных макроэлементов в почве достигло высокого и очень высокого уровня. Наилучшие условия для сохранения и воспроизводства плодородия чернозема типичного складывались при использовании органоминеральной системы удобрений, предусматривающей внесение одной или двух доз минеральных удобрений на фоне 8 т/га севооборотной площади навоза КРС. При этом содержание гумуса достигало максимального в опыте уровня 5,64 %, а обеспеченность основными питательными элементами находилась в пределах оптимальных показателей для чернозема типичного. Кроме того, высокие показатели плодородия почвы отмечали в вариантах с внесением навоза КРС в количестве 16 т/га севооборотной площади.

ФИНАНСИРОВАНИЕ РАБОТЫ

Работа финансировалась за счет средств бюджета института. Никаких дополнительных грантов на проведение или руководство данным конкретным исследованием получено не было.

СОБЛЮДЕНИЕ ЭТИЧЕСКИХ СТАНДАРТОВ

В работе отсутствуют исследования человека или животных.

КОНФЛИКТ ИНТЕРЕСОВ

Авторы работы заявляют, что у них нет конфликта интересов.

Об авторах

С. И. Тютюнов

Белгородский федеральный аграрный научный центр Российской академии наук

Email: NavEkaVika@gmail.com

доктор сельскохозяйственных наук, академик РАН

Россия, Белгород

Е. В. Навольнева

Белгородский федеральный аграрный научный центр Российской академии наук

Автор, ответственный за переписку.
Email: NavEkaVika@gmail.com

кандидат сельскохозяйственных наук

Россия, Белгород

К. В. Дорохин

Белгородский федеральный аграрный научный центр Российской академии наук

Email: NavEkaVika@gmail.com
Россия, Белгород

И. В. Логвинов

Белгородский федеральный аграрный научный центр Российской академии наук

Email: NavEkaVika@gmail.com
Россия, Белгород

А. С. Пойменов

Белгородский федеральный аграрный научный центр Российской академии наук

Email: NavEkaVika@gmail.com
Россия, Белгород

Список литературы

Дополнительные файлы