Агрохимия, 2019, № 10, стр. 25-34

ВВЕДЕНИЕ

Одним из ведущих факторов, влияющих на свойства почв, используемых в рисосеянии, является ежегодное затопление рисового поля оросительной водой в течение 4–5 мес. Степень и скорость трансформированности почв рисовых агроландшафтов зависят от их генезиса и продолжительности периода возделывания риса, приводящие как устойчивым, так и временным изменениям их свойств [1]. Кратковременные изменения, в основном приуроченные к верхним слоям почвенного профиля, связаны с кольматацией и периодической сменой окислительно-восстановительных условий. Они не отражаются на классификации почв, но их суммарный эффект в итоге может привести к появлению постоянных признаков, сказывающихся на их классификационном положении [2].

Цель работы – определить тенденции к изменению показателей плодородия лугово-черноземной почвы в условиях рисосеяния Кубани во временнóм интервале.

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ

Исследование проведено на рисовой оросительной системе ЭСП ФГУ “Красное” Красноармейского р-на Краснодарского края. Объект – лугово-черноземная почва. Почвенно-климатические условия опубликованы ранее [3].

Путем сопоставления материалов современного состояния лугово-черноземной почвы (2016 г.) с материалами почвенных исследований, полученных в 2004 г., был проведен анализ изменения ее свойств, режимов и процессов во времени в зависимости от сельскохозяйственного использования. В пределах рисовой оросительной системы, функционирующей с 1937 г., на одних и тех же участках с интервалом 12 лет были заложены почвенные разрезы: участок 1 – бессменный посев риса в течение 80 лет, без внесения удобрений; участок 2 – возделывание риса в севообороте согласно технологии, принятой в предприятии по рекомендациям ВНИИ риса [4]; участок 3 – залежь, расположенная на рисовой оросительной системе с момента ее эксплуатации, в рисовый севооборот не вовлекалась.

Различия между 3-мя участками почвы изучали по комплексу показателей с помощью дискриминантного анализа – метода многомерной статистики для классификации 2-х или более групп совокупностей на основе нескольких переменных одновременно, реализованного в работе с помощью модуля программы STATISTICA 12 [5, 6]. Для оценки использованы индивидуальные данные образцов, отобранных и проанализированных из пахотного (Апах) и подпахотного (А) горизонтов почвы в условиях рисосеяния, а также из гумусово-аккумулятивного (Ад+А) и переходного гумусового горизонтов (АВ) в условиях залежи. Сроки отбора – 2004 и 2016 гг., общий объем выборки – n = 72 образца.

Плодородие почвы складывается из большого количества свойств и признаков как естественных, так и приобретенных в процессе агрогенеза, а также условий внешней окружающей среды. Учесть влияние каждого из перечисленных выше факторов при диагностике почв очень сложно. Поэтому из всего многообразия свойств почвы комплекс почвенных показателей включал 19 переменных. В дальнейшем из общего массива данных были отобраны наиболее информативные показатели, определяющие различия между исследованными участками. Средние данные представлены в табл. 1. Аналитическую часть исследования сопровождали определением содержания подвижного фосфора и калия по Чирикову; общего гумуса – методом Тюрина со спектрофотометрическим окончанием по Орлову–Гриндель; запаса гумуса на единицу площади – с учетом плотности горизонтов; водорастворимого гумуса – по Кубелю–Тиманну; содержание общего азота – методом сжигания почвенных образцов в токе кислорода с помощью прибора Vario EL III (Германия); карбонатов – газоволюметрическим методом; поглощенных оснований – в 1.0 н. CH₃COONH₄; измерением ${\text{p}}{{{\text{H}}}_{{{{{\text{H}}}_{{\text{2}}}}{\text{0}}}}}$ – потенциометрическим методом; определением группового состава гумуса – пирофосфатным методом по Кононовой–Бельчиковой; гранулометрического состава почвы – методом пипетки с обработкой пирофосфатом натрия; плотности почвы ненарушенного сложения – по Качинскому; общей пористости – расчетным методом на основании плотности твердой фазы и плотности сложения; пористости аэрации – исходя из показателей общей пористости и объема пор, занятых водой [7, 8].

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Использование дискриминантного метода в стандартном режиме позволило выделить статистически значимые различия между сравниваемыми участками (Wilks’ Lambda: 0.00019 approx. F (38, 102) = 191.00 p < 0.0000). Разделение сравниваемых участков проведено эффективно – лямбда Уилкса близка к нулю при высоком уровне значимости. Первая дискриминантная функция обеспечила учет в совокупности 76% общей дисперсии, остальные 24% учла вторая функция (табл. 2).

В дискриминантном анализе различают 2 типа коэффициентов: нестандартизованные и стандартизованные. На основе коэффициентов первого типа можно получить уравнение для каждой группы по исходным величинам переменных, позволяющее определить собственно величину дискриминантной функции. Стандартизованные коэффициенты позволяют судить об относительном вкладе конкретной переменной в величину дискриминантной функции и оценить роль каждого признака в межгрупповых различиях. Если абсолютная величина коэффициента (без учета знака) для данной переменной у всех значимых дискриминантных функций невелика, то ее можно исключить, уменьшив их число. Эта процедура называется “определение информативного списка признаков” [9].

В работе в информативный список отбирали те показатели, чьи коэффициенты намного больше других. Так как в образовании пространства, дифференцирующего участки, участвуют первая и вторая дискриминантные функции, выбор показателей проводили с учетом их вкладов в обе функции. Поскольку информативная ценность самих функций, выраженная в величине процента учета ими дисперсии комплекса признаков различна, то их учитывали при объединении коэффициентов 2-х функций в единую меру (средневзвешенные). Для выбора информативных показателей в стандартном режиме строгой формализованной процедуры нет [9]. Нами был использован следующий подход: информативными считали показатели, чьи вклады превышали 100 у.е. (табл. 3). В разделение 3-х участков рисовой оросительной системы наиболее существенный вклад внесли 7 показателей: запас гумуса, величина рН, содержание обменного калия, общего азота, подвижных фосфора и калия, пористость почвы.

Необходимо отметить, что 3 из них относятся к стандартным агрохимическим показателям, характеризующим краткосрочные изменения плодородия почвы (рН$_{{{{{\text{Н}}}_{{\text{2}}}}{\text{О}}}}$, содержание подвижных фосфора и калия). Остальные показатели являются более стабильными, характеризуя динамику органического вещества почвы во времени, ее физическое и физико-химическое состояние. Очевидно, что в межгрупповых различиях сравниваемых участков играли роль как быстро изменяющиеся показатели, так и обладающие более длительной временнóй динамикой, что обосновало необходимость проведения мониторинговых исследований с постоянной периодичностью, характеризующих изменения свойств почвы.

Анализ уровня значимости F-критерия показал, что наиболее значимыми для дискриминации участков являлись показатели содержания в почве общего азота, подвижных форм фосфора и калия, а также общая пористость (табл. 4). При этом дискриминантный анализ на основе учтенных 19-ти переменных позволил достичь 100% корректных отнесений почвенных образцов к каждому своему участку.

В первой графе табл. 5 приведен список информативных показателей, которые были отобраны для модели, позволяющей наилучшим образом разделить сравниваемые участки. В его перечень из первоначально 19-ти учтенных вошли: величина рН, содержание обменного калия, фракции ила, общая пористость, содержание общего азота, подвижных фосфора и калия, углерода фульвокислот. При сокращении списка до 8‑ми показателей первая дискриминантная функция обеспечила учет в совокупности 77% общей дисперсии (76% в полном списке), вторая – 23%. Доля (в %) корректных отнесений почвенных образцов к каждому своему участку также не изменилась (100%). При этом изменчивость первой дискриминантной функции определялась различиями 7-ми показателей: величины рН, содержания обменного калия, илистых фракций, фульвокислот, подвижных фосфора и калия, а также пористости: их вклады (коэффициенты) значительно превышали вклад общего азота (1.82, 3.07, 1.17, 0.79, 1.63, 3.72, 0.89 против 0.29 соответственно). Изменчивость второй функции определена различиями по содержанию в почве общего азота и обменного калия. При этом выделялись весомые вклады содержания обменного калия и подвижного фосфора в пространстве 2-х дискриминантных функций (табл. 6). Таким образом, наиболее информативными при разделении участков разного пользования в условиях рисовой оросительной системы и изменяющимися во времени оказались показатели гранулометрического состава, физических и физико-химических свойств лугово-черноземной почвы.

Проведение пошагового дискриминантного анализа с последовательным исключением в выборке для верхних горизонтов сравниваемых участков выявило влияние 5-ти показателей почвы: содержания общего гумуса, обменного калия, подвижного фосфора, а также плотности и пористости (табл. 7). Проведение этого же анализа, но только для нижних горизонтов, позволило выделить влияние 6-ти показателей в дискриминацию сравниваемых участков: запаса гумуса, содержания карбонатов, обменного калия, илистых фракций, общего азота и подвижного фосфора (табл. 8). Список показателей для верхних и нижних горизонтов во многом сходен с результатами анализа общего массива данных, отражающих направленность почвообразовательного процесса, обусловленного выносом или накоплением органических веществ, карбонатов, минеральных элементов, илистых частиц как компонентов устойчивого функционирования почв оросительной системы.

Выращивание риса бессменно с 1937 г. без внесения удобрений сильно отразилось на гумусном и окислительно-восстановительном режиме лугово-черноземной почвы. В ней довольно много содержится подвижного железа, представленного преимущественно трехвалентной окисленной формой (94.3–95.7% от суммы FeO + Fe₂O₃). Двухвалентные соединения железа составляют всего лишь 4.3–5.7% от суммы, и их количество не отличалось в севооборотном поле (4.7–5.6% от суммы). Это противоречило литературным данным, указывающим на накопление в почве восстановленных форм железа в бессменных посевах риса [10–13]. Поскольку в почве под бессменной культурой риса, выращиваемой без применения удобрений, сильно выражены процессы дегумификации (содержание гумуса за 12 лет снизилось с 2.88 до 2.27% на фоне его фульватизации – С_ГК : : С_ФК = 0.84), восстановительные процессы при ежегодном постоянном ее затоплении развиваются за счет минерализации запасов гумуса. Потери гумуса составили 0.61% (23.4 т/га), ежегодные потери – 0.05% (1.95 т/га), содержание общего азота снизилось на 0.050%, или в 1.5 раза при увеличении соотношения C : N с 12 до 15. Содержание подвижных форм фосфора и калия снизилось на 31.0 и 15.0% соответственно. Почва через 12 лет из разряда низкой по обеспеченности фосфором стала очень низкой. Сумма обменных оснований сократилась на 8.4% в результате снижения в почвенно-поглощающем комплексе (ППК) долей катионов Ca²⁺ (с 69.9 до 63.3%) и K⁺ (с 2.8 до 2.3%) на фоне увеличения доли Mg²⁺ с 23.3 до 29.3% от суммы. Особенно заметные изменения в ППК произошли в подпахотном горизонте, что отразилось на физическом состоянии почвы, обладающей большой плотностью сложения и чрезмерной низкой пористостью. Плотность подпахотного горизонта увеличилась на 13.5%, или ежегодно на 1.1% (на 0.016 г/см³), общая пористость уменьшилась на 6.4% (табл. 1).

Аналогичная трансформация физических и физико-химических показателей плодородия почвы за тот же период, но значительно в меньшей степени, проявлялась при возделывании риса в севообороте. В пахотном горизонте сумма поглощенных оснований уменьшилась на 4.4% с преобладанием катиона Са²⁺ до 70.0% от суммы, содержание подвижного фосфора – на 5.4%, подвижного калия – на 6.3%; общего гумуса – на 0.08%, общего азота – на 0.017%, запасы гумуса – на 4.15 т/га, или ежегодно на 0.35 т/га, что в 5.5 раза меньше, чем при выращивании риса бессменно. Заметные изменения затронули подпахотный горизонт почвы: уменьшилась сумма обменных оснований на 8.5% в результате снижения доли Ca²⁺ и повышения доли Mg²⁺, ухудшились физические показатели (табл. 1).

За время пребывания залежной почвы на рисовой оросительной системе усилились гидроморфные признаки вследствие поднятия грунтовых вод к поверхности. Если в 2004 г. они залегали на глубине 140 см, то через 12 лет – на 40 см выше. При затоплении почв рисовых полей участок залежи испытывал подтопление, на что указывало разрастание на участке гидрофитно-злаковой растительности. Такие условия повлияли на уплотненное сложение почвы и выщелачивание из верхних горизонтов карбонатов, а также на повышенное содержание в ней общего и водорастворимого гумуса, общего азота, подвижных форм фосфора и калия вследствие разложения растительных остатков, поверхность которой плотно задернена естественной растительностью. Содержание последних было больше в 1.5–2.0, 1.5–3.0, 1.5–5.0, 6.0–11.0 и 2.0–3.0 раза соответственно, чем в условиях рисового севооборота и бессменной культуры риса. Ухудшение физических свойств и заметных изменений в ППК за последние 12 лет в залежи не отмечено (табл. 1).

Наблюдения за динамикой содержания карбоната кальция в почве рисовой оросительной системы позволили выявить его миграционную активность из верхних в нижележащие горизонты. За 12 лет его содержание в почве уменьшилось в 1.2–1.8 раза (табл. 1).

На основании высокой корреляции показателей плотности и пористости (r = –0.91), реакции среды и карбонатов (r = 0.92), гумуса – с общим азотом, гуминовыми кислотами, подвижным калием (r = 0.90, 0.94 и 0.9 соответственно), обменного калия – с азотом, гумусом, подвижным фосфором и калием (r = 0.81, 0.89, 0.80 и 0.83); а также азота – с общим и водорастворимым гумусом, азота – с гуминовыми кислотами и подвижным калием (r = 0.90 и 0.83, r = 0.97 и 0.87), запаса гумуса – с общим азотом и обменным калием (r = = 0.83 и 0.89), и более низкой: фульвокислот – с физическими показателями (r = –0.75 и –0.77) и азотом (r = –0.77), илистых частиц – с плотностью и пористостью (r = –0.58 и 0.65 соответственно) выделили их особое влияние на изменение свойств лугово-черноземной почвы во времени. Окончательные выводы можно сделать по результатам количественного анализа межгрупповых расстояний Махаланобиса, вычисляемых между центрами исследованных объектов в полном (табл. 4) и сокращенном (табл. 5) списках показателей, достоверность которых оценивали с помощью критерия Фишера.

Результаты исследования показали, что ранги парных межгрупповых расстояний Махаланобиса полностью сохранились при снижении числа парных сравнений во втором анализе, т.е. при сокращенном (информативном) списке показателей (табл. 9). Максимальными различиями характеризовались севооборот и залежь (686 и 328 у.е. соответственно при полном и сокращенном списке). Второй ранг расстояния занимало сравнение бессменного посева риса и севооборота (527 и 249 у.е.), а наименьшие различия обнаружены между бессменной культурой риса и залежью (266 и 118 у.е. соответственно).

Наименьшее расстояние Махаланобиса между залежью и бессменным рисом по сравнению с другими парными сравнениями можно объяснить заметной трансформацией исходных свойств почвы. Промежуточное положение по расстоянию занимают участки рисового севооборота и бессменного возделывания риса. Дистанция между данными группами большая, учитывая разницу в технологии выращивания риса.

Таким образом, сравниваемые участки лугово-черноземной почвы разного сельскохозяйственного использования различались комплексом из 8-ми показателей, и эти различия хорошо объяснимы, если учитывать условия почвообразования каждого из них: бессменный посев риса, сильно отличающийся от других ежегодным затоплением почвы без смены предшественника и внесения удобрений; рисовый севооборот – полным соблюдением технологии выращивания риса; залежь – не использованием в условиях рисосеяния.

На рис. 1 представлено распределение сравниваемых участков лугово-черноземной почвы разного пользования в пространстве первой и второй дискриминантных функций, которое достаточно четко иллюстрирует их разделение с помощью 8‑ми отобранных показателей.

Рис. 1.

Распределение участков лугово-черноземной почвы разного пользования в пространстве 2-х дискриминантных функций.

Характерные для бессменной культуры риса по сравнению с севооборотным полем более низкие величины рН (меньше на 0.29–0.33 ед.), значительная доля фульвокислот в составе общего гумуса почвы (больше на 4.6–7.8% С), а также низкое содержание обменного калия в ППК (меньше на 30.5–47.5%), подвижных форм фосфора и калия (меньше на 25.7–46.2 и 17.2–24.7% соответственно) определялись коэффициентами первой дискриминантной функции. При наблюдаемой тенденции к изменению физико-химических показателей как при бессменном выращивании риса, так и в севообороте, различия между участками во времени будут только усиливаться. Ухудшение физического состояния лугово-черноземной почвы на участке бессменного посева риса, а именно высокая плотность пахотного и подпахотного горизонтов и соответственно, чрезмерно низкая их пористость по сравнению с севооборотным полем, в условиях которого подпахотный горизонт также сильно уплотнился, было еще одним важным фактором, прогрессирующим во времени.

Содержание в почве общего азота, обменного калия и подвижного фосфора, вносящих большие вклады во вторую дискриминантную функцию, позволяет достичь наибольшего разделения участков залежи, бессменного посева риса и рисового севооборота. Содержание общего азота в гумусово-аккумулятивном горизонте залежи превышало его количество в пахотных горизонтах бессменного посева риса в 2.5–5.0 раза и рисового севооборота в 1.5–2.0 раза, обменного калия – в 2.0 и 1.5 раза, подвижного фосфора – в 6.5–11.0 и 5.0–6.0 раза соответственно. Диагностированные изменения во времени указывали на уменьшение содержания элементов питания в условиях рисосеяния, и, наоборот, на накопление азота, высокое содержание фосфора и закрепление обменного калия почвенно-поглощающим комплексом в залежной почве.

Сравниваемые участки лугово-черноземной почвы разного пользования при рисосеянии различались по гранулометрическому составу. Тяжелосуглинистой разновидностью обладали участки, занятые под бессменным посевом риса и залежью с содержанием физической глины 56.6 и 58.6% соответственно. Легкоглинистым гранулометрическим составом (68.7%) характеризовалась почва, используемая в рисовом севообороте. Такие различия обусловлены неоднородностью почвообразующих пород, представленных аллювиальными легкими глинами, средними и тяжелыми суглинками в условиях рисового севооборота, бессменного посева риса и залежи соответственно. Это определенным образом характеризует пестроту плодородия почв рисовой оросительной системы. При этом отмеченные тенденции к увеличению содержания илистой фракции и карбонатов с глубиной почвы могут являться отражением процессов лессивирования и выщелачивания, выраженных во времени как при бессменном возделывании риса, так и в условиях севооборота. Это подтвердили результаты пошагового дискриминантного анализа, проведенного для нижних горизонтов, позволившего установить информативный вклад фракции ила и карбонатов в дискриминацию сравниваемых участков (табл. 8).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, дискриминантный анализ позволил установить трансформацию физических и физико-химических показателей лугово-черноземной почвы под воздействием культуры риса во времени (рН$_{{{{{\text{H}}}_{{\text{2}}}}{\text{O}}}}$, содержание обменного калия, фракции ила, общего азота, подвижных фосфора и калия, углерода фульвокислот, общей пористости), обусловившие в наибольшей степени изменения ее плодородия, затронувшие пахотные и подпахотные горизонты и дальнейшую направленность почвообразовательных процессов. Для пахотных горизонтов выявлена роль содержания общего гумуса, обменного калия, подвижного фосфора, плотности их сложения и пористости, для подпахотных – запаса гумуса, содержания карбонатов, обменного калия, илистой фракции, общего азота и подвижного фосфора. В условиях рисосеяния изменения консервативных показателей плодородия почвы – гумуса, илистых частиц, карбонатов, отражающих развитие дегумификации и/или гумификации, лессиважа, выщелачивания, а также ухудшение физических и катионно-обменных свойств являются весьма очевидными. Происходящие во времени изменения имеют деградационный характер и требуют постоянного контроля за состоянием почв, вовлеченных в рисосеяние.