Агрохимия, 2023, № 4, стр. 67-77

ВВЕДЕНИЕ

Основное количество продуктов питания человечество получает за счет использования почвенного плодородия. Поэтому охрана и рациональное использование почв является важнейшей государственной задачей, от решения которой напрямую зависит обеспечение продовольственной безопасности страны.

Центрально-Черноземный район (ЦЧР) является одним из самых развитых аграрных регионов Российской Федерации. Главный ресурс региона – черноземные почвы. По образному выражению В.В. Докучаева, “… чернозем был, есть и будет кормильцем России” [1]. В 2020 г. доля хозяйств ЦЧР в производстве зерновых и зернобобовых культур составила 18.8% от российского уровня, сахарной свеклы – 47.2, подсолнечника – 24.7% [2].

Однако в процессе длительного и не всегда бережного сельскохозяйственного использования черноземы были подвержены различным видам деградации: водной эрозии, дегумификации, подкислению и др. [3–6]. Сохранение и повышение плодородия черноземов – это задача, требующая комплексного решения в рамках освоения адаптивно-ландшафтных систем земледелия, где с учетом свойств почв и требований растений оптимизированы структура севооборотов, агротехника возделывания культур, комплекс противоэрозионных мероприятий и система применения удобрений и химической мелиорации. Для проектирования адаптивно-ландшафтных систем земледелия необходимы актуальные данные агроэкологического мониторинга, основу которого составляет периодически повторяемое сплошное обследование пахотных почв, проводимое агрохимической службой России [7].

Цель работы – изучение влияния уровня применения удобрений и известкования на урожайность зерновых и зернобобовых культур, агроэкологические параметры плодородия пахотных почв в ЦЧР.

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ

В 2020 г. общая посевная площадь в ЦЧР составила 8.981 млн га (11.3% от российского уровня), в том числе в Воронежской обл. – 2.686, в Тамбовской – 1.831, в Курской – 1.666, в Белгородской – 1.425, в Липецкой – 1.373 млн га [2].

Пахотные почвы региона расположены преимущественно в лесостепной природной зоне, в степную зону попадают только южные и юго-восточные районы Воронежской и Белгородской обл. В структуре пашни на долю серых и темно-серых лесных почв приходится 6.8%, черноземов оподзоленных – 4.4%, выщелоченных – 37.2%, типичных – 32.9%, обыкновенных – 11.7%. Доля фактически эродированной пашни в ЦЧР в среднем составляет 20.1%, в Белгородской обл. – 48%. В лесостепной зоне на северо-западе Курской обл. среднемноголетняя величина гидротермического коэффициента (ГТК) по Селянинову составляет 1.3, в степной зоне Белгородской и Воронежской обл. – 0.9 [8].

В работе использованы материалы сплошного агрохимического обследования пахотных почв. В пробах почв, взятых из пахотного слоя (0–25 см), определяли содержание органического вещества по методу Тюрина в модификации ЦИНАО (ГОСТ 26213-93), подвижных форм фосфора и калия – по методу Чирикова (ГОСТ 26204-91), рН_KCl – по ГОСТ 26483-85. Определение подвижной серы в почвах проводили турбидиметрическим методом после извлечения раствором хлористого калия в соответствии с ГОСТ 26490-85. Содержание в почве подвижных форм марганца определяли согласно ГОСТ Р 50685-94, цинка – ГОСТ Р 50686-94, меди и кобальта – ГОСТ Р 50683-94. Для извлечения этих микроэлементов из почвы использовали ацетатно-аммонийный буферный раствор (ААБ) рН 4.8. Содержание подвижных форм бора определяли по методу Бергера и Троуга (ГОСТ Р 50688-94) [7].

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Кислотность почв является важнейшим параметром их агроэкологического состояния, существенно влияющим на урожайность сельскохозяйственных культур и санитарно-гигиенические показатели качества растениеводческой продукции. Внесение удобрений на кислых почвах приводит к снижению их окупаемости прибавкой урожая. Подкисление почвенного раствора является причиной повышения подвижности и размеров транслокации тяжелых металлов (ТМ) в системе почва–растение. Для большинства бобовых культур (люцерны, клевера, эспарцета), возделываемых на почвах с рН_KCl < 5.5, характерно значительное сокращение симбиотической фиксации атмосферного азота. Наиболее чувствительной к повышенной кислотности почв сельскохозяйственной культурой является сахарная свекла [9–11]. Поскольку ЦЧР является основной зоной свеклосеяния в России, то вопрос известкования кислых почв является очень актуальным.

В ЦЧР тренд к подкислению характерен для пахотных почв лесостепной зоны, в черноземах обыкновенных степной зоны отмечено даже подщелачивание [3]. Поэтому наиболее высокую долю кислых почв всегда выявляли в областях ЦЧР, полностью расположенных в лесостепной зоне. Например, в Курской обл. (по данным агрохимического обследования за 1999–2003 гг.) доля кислых почв составляла 56.4%, в Липецкой (1998–2002 гг.) – 65.0%, в Тамбовской (1995–2002 гг.) – 70.1%. В Воронежской обл., частично расположенной в степной зоне, в 1995–2000 гг. доля кислых почв составляла 27.9%. В Белгородской обл., также частично расположенной в степной зоне, по данным обследования 1995–1999 гг., доля кислых почв составляла 33.5%, к 2010–2014 гг. она увеличилась до 45.8%.

По состоянию на 01.01.2021 г. доля кислых почв в Липецкой, Тамбовской, Курской и Воронежской обл. увеличилась соответственно до 77.9, 77.3, 71.0 и 31.0%, а в Белгородской – снизилась до 31.0%. В Курской, Липецкой и Тамбовской обл. отмечали самую высокую долю среднекислых почв, соответственно 31.0, 29.2 и 23.9% (рис. 1). Среднекислые почвы преобладают на севере Тамбовской и Курской обл., в районах, где почвенный покров в основном представлен темно-серыми и серыми лесными почвами [3].

Рис. 1.

Доля кислых почв в ЦЧР, % от площади обследованной пашни (по данным мониторинга на 01.01.2021 г.).

Для предотвращения избыточного подкисления пахотных почв в лесостепной зоне ЦЧР рекомендуется периодически проводить химическую мелиорацию [9–11]. В 2001–2005 гг. в ЦЧР ежегодно известковали всего 20.1 тыс. га кислых почв, в 2016–2020 гг. – уже 132.4 тыс. га. В течение 2016–2020 гг. средний ежегодный уровень известкования в Белгородской обл. составлял 65.9 тыс. га, что сопоставимо с площадью известкования в Воронежской, Курской, Липецкой и Тамбовской обл. вместе взятых (66.5 тыс. га) (рис. 2). Поэтому, несмотря на возросшие объемы химической мелиорации, уменьшение площади кислых почв наблюдается только в Белгородской обл.

Рис. 2.

Динамика площади произвесткованных почв в ЦЧР, тыс. га/год.

Содержание органического вещества в почвах является энергетической основой функционирования экосистем всех рангов, в котором депонировано огромное количество углерода и важнейших элементов питания растений. Кроме этого, уровень содержания органического вещества во многом определяет водно-физические свойства и имеет важное значение для образования агрономически ценной структуры почв [12].

Содержание органического вещества в черноземе типичном, не затронутым сельскохозяйственной деятельностью, в верхней части гумусово-аккумулятивного горизонта (10–20 см) составляет 10.1% (участок “Ямская степь” заповедника “Белогорье”). Средневзвешенная величина этого показателя в пахотных почвах Тамбовской обл., по данным обследования 1995–2002 гг., составляла 6.6, Воронежской (1995–2000 гг.) – 5.7, Липецкой (1998–2002 гг.) – 5.6, Белгородской (1995–2000 гг.) – 4.9, Курской (1999–2003 гг.) – 4.6%.

По состоянию на 01.01.2021 наиболее высокое средневзвешенное содержание органического вещества зафиксировано в пахотных почвах Тамбовской обл. – 6.5%. На ее юге, в Мордовском р-не средневзвешенное содержание органического вещества в почвах пашни достигает самого высокого для районов ЦЧР уровня – 7.3%. В почвах пашни Липецкой, Воронежской и Белгородской обл. величина параметра находится на уровне соответственно 5.6, 5.4 и 5.3% [3]. Наиболее низким средневзвешенным содержанием органического вещества (4.7%) характеризуются почвы Курской обл., а в Хомутовском р-не, расположенном на западе региона, величина этого показателя достигает минимума для ЦЧР – 3.3% (рис. 3).

Рис. 3.

Средневзвешенное содержание органического вещества в почвах пашни ЦЧР, % (по данным мониторинга на 01.01.2021 г.).

Увеличение содержания органического вещества на 0.4% отмечено в почвах Белгородской обл. Для почв Курской обл. характерен незначительный тренд к увеличению (0.1%), а для почв Тамбовской обл. – к снижению (–0.1%) величины данного показателя. Почвы Липецкой обл. характеризуются стабильным содержанием органического вещества. В почвах пашни Воронежской обл. зафиксировано снижение величины этого показателя на 0.3%.

Одним из главных антропогенных факторов регулирования баланса органического вещества в агроценозах является внесение органических удобрений. В многочисленных полевых опытах, проведенных в Центральном Черноземье, установлено, что в зернопропашных севооборотах для компенсации потерь гумуса в результате его минерализации необходимо вносить навоз КРС 6–8 т/га севооборотной площади [3]. В Белгородской обл. в 2016–2020 гг. внесение органических удобрений достигло уровня 8.83 т/га (рис. 4). Кроме того, в рамках реализации программы биологизации земледелия широко используют возделывание сидеральных культур и противоэрозионные мероприятия. Уменьшены размеры минерализации гумуса за счет сокращения площади чистых паров. Комплексная реализация этих мер обусловила положительную динамику содержания органического вещества в пахотных почвах Белгородской обл.

Рис. 4.

Динамика внесения органических удобрений в ЦЧР, т/га посева.

В 2016–2020 гг. в Воронежской обл. уровень внесения органических удобрений вырос и достиг 3.34 т/га, а в Липецкой – немного снизился до 2.26 т/га. Использование органических удобрений в Курской (0.54 т/га) и Тамбовской (0.24 т/га) обл. было меньше, чем в среднем по Российской Федерации (1.5 т/га). В Центральном Черноземье и особенно в регионах с низким уровнем внесения органических удобрений важнейшим источником стабилизации гумусного фонда почвы являются пожнивно-корневые остатки сельскохозяйственных культур, выход которых в последние годы увеличился в связи с ростом урожайности [13, 14].

Содержание подвижных форм Р₂О₅ и K₂O в почвах характеризует обеспеченность сельскохозяйственных культур этими важнейшими биогенными макроэлементами. Фоновое содержание подвижных форм Р₂О₅ и K₂O в целинном черноземе типичном заповедника “Белогорье” (участок “Ямская степь”) составляет соответственно 28 (низкий уровень) и 101 мг/кг (повышенный уровень).

Средневзвешенное содержание подвижных соединений Р₂О₅ в почвах пашни Белгородской обл. в 1995–1999 гг. составляло 131, Воронежской (1995–2000 гг.) – 96, Курской (1999–2003 гг.) – 139, Липецкой (1998–2002 гг.) – 99, Тамбовской (1995–2002 гг.) – 95 мг/кг. За эти же годы средневзвешенное содержание подвижных соединений K₂O в почвах Белгородской, Воронежской, Курской, Липецкой и Тамбовской обл. составляло соответственно 128, 128, 103, 101 и 100 мг/кг [3].

По состоянию на 01.01.2021 г. средневзвешенное содержание подвижных форм Р₂О₅ и K₂O в почвах пашни Белгородской обл. увеличилось соответственно на 12 и 41 мг/кг, достигнув максимальных для ЦЧР уровней 143 и 169 мг/кг (рис. 5). В почвах Воронежской обл. также отмечено увеличение средневзвешенного содержания подвижных форм Р₂О₅ на 8 мг/кг (до 104 мг/кг) и подвижных форм K₂O – на 7 мг/кг (до 135 мг/кг). В пахотных почвах Липецкой обл. содержание подвижного фосфора практически не изменилось (–1 мг/кг), составив 98 мг/кг, а подвижных форм калия увеличилось на 19 мг/кг, достигнув уровня 138 мг/кг. В Курской обл. установлено снижение средневзвешенной величины содержания подвижных форм Р₂О₅ в почвах на 10 мг/кг (до 129 мг/кг) и увеличение содержания подвижных форм K₂O на 9 мг/кг (до 112 мг/кг). Наиболее низкие средневзвешенные величины содержания подвижных форм Р₂О₅ и К₂О были зафиксированы в пахотных почвах Тамбовской обл. – 88 и 106 мг/кг соответственно, причем для первого параметра была характерна отрицательная динамика (–7 мг/кг), а для второго – положительная (+6 мг/кг).

Рис. 5.

Средневзвешенное содержание подвижных форм Р₂О₅ (а) и K₂О (б) в почвах пашни ЦЧР, мг/кг (по данным мониторинга на 01.01.2021 г.).

Важнейшим фактором регулирования фосфатного и калийного режимов почв является внесение удобрений. Содержание подвижных фосфатов очень сильно зависит от уровня кислотности, обычно на произвесткованных почвах отмечается снижение данного показателя.

Как правило, основное количество фосфора и калия поступает в агроценозы с минеральными удобрениями [15]. В 2016–2020 гг. по сравнению с 2001–2005 гг. использование минеральных удобрений увеличилось в Тамбовской обл. в 7.8, в Курской – в 4.2, в Липецкой – в 2.3, в Воронежской – в 2.8, в Белгородской – в 1.8, в целом по РФ – в 2.5 раза [3]. В 2016–2020 гг. максимальный для ЦЧР уровень использования минеральных удобрений (156 кг/га) был зафиксирован в Курской, а самый низкий (88.1 кг/га) – в Воронежской обл. (рис. 6). Однако даже в Воронежской обл. минеральных удобрений вносили в 1.6 раза больше, чем в среднем в РФ. В использованных минеральных удобрениях доля азота была существенно больше, чем фосфора и калия, и в последние годы этот тренд усиливается. Например, в Белгородской обл. в 2016–2020 гг. по сравнению с 2001–2005 гг. доли Р₂О₅ и K₂O во внесенных минеральных удобрениях снизились соответственно с 24.0 до 17.4 и с 23.4 до 16.2%.

Рис. 6.

Динамика внесения минеральных удобрений в ЦЧР, кг д.в./га посева.

Органические удобрения с учетом доз их внесения можно рассматривать как важный источник поступления фосфора и калия в Белгородской и в значительно меньшей степени – в Воронежской обл.

Содержание подвижных форм серы и микроэлементов в почвах – важные показатели, которые включены в программу государственного агроэкологического мониторинга. Причем фактором, лимитирующим продуктивность агроценозов и ухудшающим качество растениеводческой продукции, является как их низкое содержание в почве, так и превышающее предельно-допустимую концентрацию (ПДК). Для подвижных форм Mn, Zn, Cu и Co ПДК в почве ПДК установлены на уровне соответственно 140, 23, 5 и 3 мг/кг [16, 17]. Пахотные почвы, в том числе и черноземные, многих регионов России характеризуются низкой обеспеченностью подвижными соединениями S и таких важных микроэлементов, как Zn и Cu [18–21].

Фоновое содержание подвижных форм S, Zn, Mn, Cu и Co в целинных почвах особо охраняемых природных территорий (ООПТ) характеризуется как низкое, за исключением содержания Mn, Cu и Co в черноземе типичном заповедника “Белогорье”, где оно оценено как среднее [17, 22]. В целинных почвах фоновое содержание подвижных форм В соответствует высокому уровню обеспеченности (табл. 1).

Сера. Определение содержания подвижных форм S, так же, как и микроэлементов, было включено в программу сплошного агрохимического обследования пахотных почв в областях ЦЧР в разные периоды. Средневзвешенная величина данного показателя в почвах Липецкой обл. (1987–1989 гг.) составляла 9.4, Белгородской (1990–1994 гг.) – 6.8, Тамбовской (1990–1995 гг.) – 4.0, Курской (2009–2013 гг.) – 4.1, Воронежской (2011–2015 гг.) – 1.2 мг/кг. По состоянию на 01.01.2021 г. (в сравнении с указанными выше периодами) средневзвешенное содержание подвижной S снизилось в почвах Белгородской обл. до 4.0, Липецкой – до 3.7, Курской – до 2.9, Тамбовской – до 2.8, Воронежской – увеличилось до 3.9 мг/кг. Максимальная доля пахотных почв, низко обеспеченных (<6 мг/кг) подвижной S (95.1%), отмечена в Тамбовской, минимальная (74.7%) – в Воронежской обл. (табл. 2). Снижение содержания в пахотных почвах подвижных форм этого элемента во многом является следствием отказа от использования минеральных серосодержащих удобрений (в первую очередь простого и двойного суперфосфата) [17, 20].

Марганец. Наиболее высокое содержание подвижных форм Mn в почвах за весь период наблюдений было установлено в Белгородской обл. (1990–1994 гг.) – 17.5 мг/кг, в Липецкой (1987–1989 гг.) – 16.0, в Воронежской (2006–2010 гг.) – 12.4, в Тамбовской (1985–1990 гг.) – 10.1 мг/кг. По состоянию на 01.01.2021 г. средневзвешенное содержание подвижных форм этого элемента в почвах Липецкой обл. снизилось до 15.6, Белгородской – до 11.8, Воронежской – до 11.6, Тамбовской – до 6.1 мг/кг. В Курской обл. отмечено незначительное (+0.3 мг/кг) увеличение данного показателя до 7.5 мг/кг по сравнению с периодом 1999–2003 гг. В Тамбовской обл. установлена наиболее высокая (88.3%) доля почв, низко обеспеченных (<10 мг/кг) подвижным Mn, в Липецкой – наиболее низкая (3.1%).

Цинк. Наиболее высокое средневзвешенное содержание подвижных форм Zn было зафиксировано в пахотных почвах Белгородской обл. (1.4 мг/кг) в 1990–1994 гг., Липецкой (1.0 мг/кг) – в 1987–1989 гг., Воронежской (0.45 мг/кг) – в 2006–2010 гг. По состоянию на 01.01.2021 г. величина этого показателя в Белгородской обл. снизилась до 0.51, в Липецкой – до 0.70, в Воронежской – до 0.30 мг/кг. В почвах Курской обл. отмечен тренд к увеличению показателя на 0.14 мг/кг (до 0.59 мг/кг) по сравнению с 1999–2003 гг. В Тамбовской обл. также отмечена тенденция к увеличению содержания подвижных форм Zn в почве на 0.07 мг/кг (до 0.48 мг/кг) по сравнению с 1985–1990 гг. В областях ЦЧР доля пахотных почв с низкой обеспеченностью (<2.0 мг/кг) подвижными формами Zn составляет 97.9–99.9%.

Медь. Максимальное средневзвешенное содержание подвижных форм Cu в почвах было зафиксировано в Курской обл. (0.29 мг/кг) в 1999–2003 гг., в Воронежской (0.15 мг/кг) – в 2006–2010 гг. В почвах Тамбовской, Белгородской и Липецкой областей величина данного параметра составляла соответственно 0.12 (2002–2008 гг.), 0.11 (2009–2014 гг.) и 0.10 мг/кг (1987–1989 гг.). По состоянию на 01.01.2021 г. средневзвешенное содержание подвижных форм Cu в пахотных почвах Воронежской и Курской обл. снизилось до 0.10, Липецкой – до 0.09 мг/кг. В Тамбовской обл. величина параметра не изменилась, оставшись на уровне 0.12 мг/кг, в Белгородской – повысилась до 0.12 мг/кг. В областях Центрального Черноземья 94.3–99.5% обследованных пахотных почв относится к категории низкой обеспеченности (<0.2 мг/кг) подвижными формами Cu.

Кобальт. Средневзвешенное содержание подвижных форм Co в почвах Курской обл. в 2004–2008 гг. составляло 0.16, Воронежской (2006–2010 гг.) – 0.14, Тамбовской (2002–2008 гг.) – 0.11, Белгородской (2005–2000 гг.) – 0.08 мг/кг. По состоянию на 01.01.2021 г. величина этого параметра в пахотных почвах Белгородской и Тамбовской обл. не изменилась, в Курской и Воронежской обл. снизилась соответственно до 0.12 и 0.10 мг/кг. В этих областях 98.3–99.7% пахотных почв являются низкообеспеченными (<0.15 мг/кг) подвижным Co.

Бор. В отличие от других изученных микроэлементов фоновое содержание подвижных форм B в целинных черноземах соответствует высокому уровню обеспеченности [17]. Пахотные черноземы наследуют эту генетическую особенность, поэтому данный показатель обычно не является фактором, лимитирующим урожайность сельскохозяйственных культур, и не во всех областях ЦЧР он включен в программу обязательного агрохимического обследования. По состоянию на 01.01.2021 г. доля почв, высоко обеспеченных подвижными формами B (>0.7 мг/кг), составляет в Белгородской, Тамбовской, Липецкой и Курской обл. соответственно 99.2, 93.6, 92.6 и 42.7%. Пахотные почвы, низко обеспеченные (<0.33 мг/кг) этим микроэлементом, выявлены в западных районах Курской обл.

Урожайность сельскохозяйственных культур является комплексным критерием плодородия почв. В ЦЧР наибольшие посевные площади заняты под зерновыми и зернобобовыми культурами. В 2016–2020 гг. их доля в структуре посевных площадей была минимальной в Белгородской обл. (52%) и максимальной – в Курской (62%).

В 2016–2020 гг. по сравнению с 2001–2005 гг. урожайность этой группы культур в Курской обл. увеличилась в 2.19 раза, достигнув рекордного для ЦЧР уровня 4.95 т/га (рис. 7). За этот же период в Белгородской, Воронежской, Липецкой, Тамбовской обл. урожайность увеличилась соответственно в 1.87, 1.65, 1.51, 1.82 раза. В 2016–2020 гг. наиболее низкая урожайность отмечена в Воронежской (3.62 т/га) и Тамбовской (3.67 т/га) обл., что во многом является следствием самого низкого в ЦЧР уровня использования удобрений. В целом в областях ЦЧР урожайность зерновых и зернобобовых культур существенно превышала средний уровень в РФ, который в 2016–2020 гг. составлял 2.72 т/га.

Рис. 7.

Динамика урожайности зерновых и зернобобовых культур в ЦЧР (хозяйства всех категорий), т/га.

ВЫВОДЫ

1. Таким образом, в ЦЧР за 2016–2020 гг. по сравнению с 2001–2005 гг. отмечен значительный рост использования минеральных удобрений (в 1.8–7.8 раза) и объемов химической мелиорации почв (в 2.3–43.9 раза). Наиболее высокий уровень внесения минеральных удобрений (156 кг/га) был достигнут в Курской обл., органических удобрений (8.83 т/га) и известкования кислых почв (65.9 тыс. га в год) – в Белгородской. Минимальный уровень внесения минеральных удобрений (88.1 кг/га) и известкования (13.0 тыс. га) отмечен в Воронежской, а использования органических удобрений (0.24 т/га) – в Тамбовской обл. За эти же годы урожайность зерновых и зернобобовых культур увеличилась в 1.51–2.19 раза. Максимальная урожайность была достигнута в Курской (4.95 т/га) и Белгородской (4.87 т/га) обл., минимальная – в Тамбовской (3.67 т/га) и Воронежской (3.62 т/га).

2. По состоянию на 01.01.2021 г. наиболее существенное увеличение обеспеченности почв органическим веществом, подвижными формами Р₂О₅ и K₂О, снижение доли кислых почв отмечено в Белгородской обл.. В пахотных почвах Тамбовской обл. зафиксировано максимальное средневзвешенное содержание органического вещества (6.5%), минимальное (4.7%) отмечено в Курской обл. Самое высокое содержание подвижных форм Р₂О₅ (143 мг/кг) и K₂О (169 мг/кг) наблюдали в почвах Белгородской, а самое низкое (соответственно 88 и 106 мг/кг) – в Тамбовской обл.

3. В почвах пашни Липецкой обл. зафиксирована самая высокая доля кислых почв 77.9%, тогда как в Белгородской и Воронежской обл. она составляла 31.0%. Пахотные почвы региона в основном характеризуются низкой обеспеченностью подвижными формами цинка, меди и кобальта. Наиболее высокая доля почв, низко обеспеченных подвижными формами серы (95.1%) и марганца (88.3%), отмечалась в Тамбовской, а наиболее низкая – соответственно в Воронежской (74.7%) и Липецкой (3.1%) обл.